EP2326364B1 - Gastransfervorrichtung - Google Patents

Gastransfervorrichtung Download PDF

Info

Publication number
EP2326364B1
EP2326364B1 EP09778320.3A EP09778320A EP2326364B1 EP 2326364 B1 EP2326364 B1 EP 2326364B1 EP 09778320 A EP09778320 A EP 09778320A EP 2326364 B1 EP2326364 B1 EP 2326364B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
chambers
chamber
gas
transfer device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP09778320.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2326364A1 (de
Inventor
Andreas Maurer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Novalung GmbH
Original Assignee
Novalung GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Novalung GmbH filed Critical Novalung GmbH
Publication of EP2326364A1 publication Critical patent/EP2326364A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2326364B1 publication Critical patent/EP2326364B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/18—Apparatus therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M1/00—Suction or pumping devices for medical purposes; Devices for carrying-off, for treatment of, or for carrying-over, body-liquids; Drainage systems
    • A61M1/14—Dialysis systems; Artificial kidneys; Blood oxygenators ; Reciprocating systems for treatment of body fluids, e.g. single needle systems for hemofiltration or pheresis
    • A61M1/16—Dialysis systems; Artificial kidneys; Blood oxygenators ; Reciprocating systems for treatment of body fluids, e.g. single needle systems for hemofiltration or pheresis with membranes
    • A61M1/1698—Blood oxygenators with or without heat-exchangers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B01D63/081—Manufacturing thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/02—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor characterised by their properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/26—Polyalkenes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/26—Polyalkenes
    • B01D71/261—Polyethylene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/26—Polyalkenes
    • B01D71/262—Polypropylene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/34—Internal compartments or partitions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/04—Filters; Permeable or porous membranes or plates, e.g. dialysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/12—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/22—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/102—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2319/00—Membrane assemblies within one housing
    • B01D2319/04—Elements in parallel

Definitions

  • the invention relates to a gas transfer device with a specifically structured membrane, wherein the membrane allows by their structuring a particularly effective gas exchange, in particular between a liquid phase and a gaseous phase.
  • Gas transfer devices are used in many fields of technology. These are either gassing devices in which one or more gases pass from one medium to another, or gas exchange devices which allow the mutual exchange of one or more gases between two media. Gas transfer devices are used, for example, in chemical engineering. They serve there for the supply of gases for gas / liquid or gas / solid reactions. However, they can also be used for gas separation or gas purification by not a gas is introduced, but gas is withdrawn from a gas mixture or other reaction mixture.
  • gas transfer devices are also used in biotechnology and medicine.
  • the most important place of use in biotechnology is their use in cultivation reactors.
  • gas transfer devices cell cultures are supplied specifically and in a controlled manner with the gases necessary for the specific culture or excretion gases are removed from the nutrient medium.
  • Gas transfer devices are also used in medicine.
  • the most important purpose here is the enrichment of the blood with oxygen simultaneous removal of carbon dioxide from the blood. Such measures are, for example, in various operations and in the treatment of various lung diseases necessary.
  • Oxygen gassing devices have undergone continuous development to date and are still being improved in functionality today.
  • the prototype of such an oxygenator was a film oxygenator in which blood pumped by a roller pump was oxygenated via screens in a near-pure oxygen environment.
  • the large-area direct contact with oxygen led to the denaturation of plasma proteins - a major disadvantage when using the film oxygenator.
  • bubble oxygenator
  • This blood was enriched in a column of blood with gas bubbles.
  • the saturation power is adjusted.
  • the gas exchange takes place directly on the surface of the gas bubbles.
  • the biggest problem of the bubble oxygenator was or is the foaming of the blood that occurs in this oxygenation, which can lead to microemboli in the body. Subsequent defoaming processes are therefore necessary, which makes this process expensive and expensive.
  • Examples of bubble type oxygenators include in DE 22 08 868 . DE 23 14 644 . DE 23 32 445 and DE 30 01 018 described.
  • membrane oxygenator Shortly after the development of the bubble oxygenator, the use of a membrane oxygenator took place for the first time in 1956.
  • the gas phase is separated from the blood phase by a membrane.
  • the gas exchange takes place on the gas-permeable membrane due to partial pressure differences of the gases involved mainly via diffusion.
  • the membranes can be configured as flat membranes or as capillary or fiber membranes.
  • Two types of membrane oxygenators of the prior art are, for example, in US 5,137,531 and US 6,682,698 described.
  • a general disadvantage of the membrane oxygenators operating on the principle of diffusion is that large membrane areas must be provided in order to achieve an effective mass transfer between blood and oxygen in a certain time.
  • the diffusion through the membrane can be influenced by increasing the oxygen pressure or by changing the flow properties of the blood. However, it is generally quite difficult to reach a compromise between potential blood damage, thrombosis and effective gas exchange.
  • a blood processing apparatus having a first plate provided with a number of first channels in a first direction for transporting a fluid, such as blood.
  • the apparatus further comprises a second plate disposed in the vicinity of the first plate and provided with a number of second channels in a second direction for the transport of one or more gases or a mixture of gaseous media, wherein between the first and the second channels a gas-permeable membrane is arranged.
  • An artificial lung system in which a gas exchange membrane separates a blood side from an air side, wherein the gas exchange membrane on the blood side and the air side each have a foreign surface which is colonized on the blood side and / or on the air side with biological cells.
  • the artificial lung system may be used to fabricate an extracorporeal or implantable lung assist system or to fabricate a lung model system for examining airway loads.
  • the present invention is therefore based on the object to provide improved gas transfer devices, which can be used in chemistry, biotechnology and medicine, in particular for fumigation or for gas exchange in the blood.
  • the present invention is intended to provide a gas transfer device with improved gas transfer through the membrane and with increased shelf life.
  • the gas transfer device mentioned in the main claim which comprises at least two chambers and at least one gas-permeable and liquid-impermeable membrane, wherein the chambers are separated by the membrane (s) and wherein the membrane (s) is structured on at least one side / and are formed by this structuring or this structure channels and / or ramifications on the membrane, the opposite walls have a spacing of ⁇ 500 microns, preferably ⁇ 250 microns, and more preferably ⁇ 150 microns, and the proportion of the membrane surface comprising at least 50% of the total surface area of the membrane, having channels and / or ramifications with this spacing, the membrane being structured on both sides, and having ramifications on at least one side of the membrane produced by nubs arranged in such a way that they are considered obstacles in d he flow direction and cause a distraction and splitting of the flow through the two chambers.
  • the gas transfer device according to the invention is characterized by a particularly advantageously structured membrane provided with gas exchange channels and / or branching.
  • "ramifications" in relation to the contact surfaces and the resulting paths mean a liquid or gaseous phase on the side of the membrane.
  • At least one, and preferably each, of at least two chambers of the gas transfer device is designed as a flow chamber.
  • the so-called “ramifications” in the structuring or structure of the membrane therefore represent branched or twisted paths for the flow of the liquid or gaseous phase over the respective side of the membrane or through the chamber. arise through sites in the membrane structure, which are obstacles in the flow direction and cause a distraction and / or a splitting or splitting of the flow through the respective chamber.
  • the membrane on both sides is e.g. structured such that the walls of the structure protrude from a plane of the membrane or protrude and / or protrude into the respective adjacent chambers or reach into it.
  • These walls may, for example, be surrounded by the liquid or gaseous phase in the chamber.
  • These walls of the structure, with which the at least one side of the membrane is provided form, for example, projections which have geometric shapes, such as e.g. Block, diamonds, cylinders or posts, can have and lead to a ramification of the membrane side.
  • these walls may form channels (e.g., branched channels) which guide the liquid or gaseous phase in the chamber across the membrane side.
  • the structuring or structure of the membrane according to the invention enables improved mass transfer (through in particular improved diffusion properties) through the membrane, without, however, having to dimension the membrane over a large area, as provided for in the prior art.
  • this is based on the fact that the structuring creates a larger surface, which is positive affects the gas transfer.
  • the walls of the channels formed by the patterning and / or ramifications on the membrane have a small spacing, whereby the diffusion through the membrane is accelerated.
  • the small spacing of the channels and / or ramifications ensures a significant reduction of the flow resistance. This is particularly important for liquids such as biological fluids of importance.
  • the so-called Fareus-Lindquist effect causes a film of blood plasma to form on the walls, on which the cells slide through the channels and / or ramifications structured according to the invention.
  • the at least one gas-permeable and liquid-impermeable membrane of the gas transfer device according to the invention which separates the chambers from each other, is structured on both sides.
  • the membrane side facing the liquid is preferably structured.
  • the positive properties (e.g., the reduction of flow resistance) of a structured membrane on the gas transfer become apparent.
  • each of the chambers is formed at least partially by the membrane or by the membrane structure.
  • each chamber in a preferred form of the invention is at least partially defined or enclosed by the membrane.
  • the at least two chambers comprise a first chamber for receiving or for the passage of a biological fluid and a second chamber for receiving or for the passage of a gas.
  • the channels formed by the patterning and / or ramifications serve to transfer gas molecules between the gas and the biological fluid.
  • the first chamber is divided into a plurality of chambers, so that the device comprises a plurality of first chambers, which are separated from the second chamber by a gas-permeable and liquid-impermeable membrane.
  • the second chamber is preferably divided into a plurality of chambers, such that the device comprises a plurality of second chambers separated from the first chamber (s) by a gas-permeable and liquid-impermeable membrane.
  • the plurality of first chambers may be arranged one above the other in one or more rows and / or in several layers one above the other.
  • the plurality of second chambers may be arranged one above the other in one or more rows adjacent to each other and / or in multiple layers.
  • an elongated orientation of the first chamber (s) may, for example, extend transversely and preferably at right angles to an elongate orientation of the second chamber (s).
  • each of the first chambers is thus preferably adapted for flow from an inlet to an outlet in a direction opposite or transverse to the general flow direction of the second chamber (s).
  • each of the second chambers is preferably configured to flow from an inlet to an outlet in a direction opposite or transverse to the general direction of flow of the first chamber (s).
  • the membrane may consist of or comprise an organic or an inorganic material.
  • Inorganic membrane materials include glass, ceramics (eg, alumina, titania, or zirconia), metal, silicone, or carbon.
  • Organic membrane materials include in particular polymeric materials such as polyacrylamides, polyacrylonitriles, polyamides, polybenzimidazoles, polybutadienes, polycarbonates, polydimethylsiloxanes, polyethersulfones, polyetherimides, polyolefins, polyethylene terephthalates, polymethyl methacrylate, polymethylpentene, polyphenylene oxide, polystyrene, polysulfones, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, other halogenated hydrocarbons and Cellulose and cyclic olefin copolymers (COC).
  • organic Membrane materials may comprise either the pure polymer, a polymer composite (ie, blend of various polymers or copo
  • the membrane material is an organic material selected from the above-mentioned materials. Even more preferably, the membrane material is a polymer, a polymer composite or a polymer layer of said materials.
  • the polymer is a polyolefin, such as polyethylene, polypropylene, polybutadiene or polypentene or methyl variants thereof.
  • the membrane material is or comprises polymethylpentene. PDMS can also be used.
  • TPX TM Methylpentenpolymer Mitsui Chemicals.
  • TPX TM is characterized by a particularly high oxygen permeability (eg 47,000 ml / m 2 per hour at 24 atm, 25 ° C, 90% relative humidity (RH), and 25 ⁇ m membrane thickness, ie an oxygen permeability of 47,000 ml / m 2 per 24 hours (24 h) per bar pressure difference (ie 47,000 ml / m 2 .24h. bar) at 25 ° C, 90% relative humidity (RH) and a membrane thickness of 25 microns).
  • oxygen permeability eg 47,000 ml / m 2 per hour at 24 atm, 25 ° C, 90% relative humidity (RH)
  • RH 90% relative humidity
  • TPX TM has a low moisture permeability of 110 g of water per m 2 , within 24 h at 40 ° C and 90% relative humidity (RH) and low permeability to nitrogen. Therefore TPX TM is particularly suitable as membrane material for the gas transfer device according to the invention, in particular for applications related to oxygen transport, for example for the enrichment of blood with oxygen.
  • the standard method for producing both organic and inorganic membranes is sintering, wherein the production of the sintered material may in turn be carried out by a variety of methods, such as pressing, extruding, film casting, sedimentation and sol-gel techniques.
  • sintering wherein the production of the sintered material may in turn be carried out by a variety of methods, such as pressing, extruding, film casting, sedimentation and sol-gel techniques.
  • organic membranes there are a number of other manufacturing processes, such as stretching (stretching a polymer perpendicular to the extrusion direction), the nuclear track method (radioactive irradiation with subsequent etching process), the phase inversion process (precipitation reaction) and the foaming (pore formation by CO 2 expansion).
  • Most of the industrial effort for the production of organic membranes is less than that for inorganic membranes.
  • the membrane used may be prepared or patterned according to any of the foregoing or other methods known in the art.
  • the membrane is structured by lithographic methods, in particular the LIGA technique.
  • LIGA Abbr. For process steps L ithographie, Gal Vanik and bformung A
  • L ithographie, Gal Vanik and bformung A refers to a method which is based on a combination of deep lithography, electroplating, and micromolding.
  • the LIGA process was developed in the early 80's as part of the development of the separation nozzle process for uranium enrichment in order to produce extremely small separation nozzles ( EW Becker et al., Naturwissenschaften 69, 520-523 (1982 )).
  • the method allows the production of microstructures with the smallest dimensions of different materials such as plastic, metal or ceramic ( EW Becker et al., Microelectronic Engineering, 4, 35-56 (1986 )).
  • the LIGA technology is also used in the field of microsystems technology.
  • the LIGA process typically consists of the following steps, which are carried out in succession: First, an up to 1 mm thick X-ray or UV-sensitive plastic layer (For example, PMMA) applied to a base plate with an electrically conductive cover layer. Thereafter, the lithographic deep structuring is carried out by exposing a resist. The exposed areas are subsequently dissolved out with a suitable developer, leaving a negative mold of the metal structure to be produced in the electroplating. In a subsequent electroplating process, a metal is deposited on the substrate in the areas where the resist has been removed during development. The resist is subsequently dissolved out, leaving behind the deposited metal structure.
  • X-ray LIGA up to 1 mm thick X-ray or UV-sensitive plastic layer (For example, PMMA) applied to a base plate with an electrically conductive cover layer.
  • the lithographic deep structuring is carried out by exposing a resist.
  • the exposed areas are subsequently dissolved out with a suitable developer, leaving a negative mold of the metal structure to be produced
  • This metal structure serves as an impression tool for impression techniques such as hot stamping and injection molding, with which in particular organic membranes (for example made of plastic) can be produced.
  • impression techniques such as hot stamping and injection molding
  • organic membranes for example made of plastic
  • roll-to-roll or vacuum thermoforming can also be used for impression taking.
  • Other examples of the mold-making technique are micro-precision milling and ultra-precision milling.
  • the membrane used in the gas transfer device according to the invention is structured on at least one side, the structuring is preferably obtainable using micro injection molding or hot stamping process. In a further embodiment, the membrane is structured on both sides, likewise preferably obtainable by means of injection molding or hot stamping methods.
  • the LIGA process represents a technology not yet used for the production of structured membrane materials, whereby products can be produced inexpensively and in large quantities. Therefore, the present invention also relates to a process for producing structured membranes by the LIGA process and the membranes obtained thereby.
  • channels and / or ramifications are formed on the membrane by the structuring, the walls of which have a spacing of ⁇ 500 ⁇ m, preferably ⁇ 350 ⁇ m preferably ⁇ 150 ⁇ m, more preferably ⁇ 100 ⁇ m, and even more preferably ⁇ 80 ⁇ m.
  • the dimension or height of these walls, particularly from the plane of the membrane is typically of the same order of magnitude as the spacing, and is preferably in the range of 10-350 ⁇ m, more preferably in the range of 10-200 ⁇ m, and even more preferred in the range of 10-100 ⁇ m.
  • the proportion of the membrane surface having channels and / or branches is ⁇ 50%, more preferably ⁇ 60%, even more preferably ⁇ 70% of the total surface area of the membrane.
  • channels and / or ramifications may be used as structures on the membrane that mimic, for example, the capillary structure of the natural lung.
  • Such channels and / or ramifications can also be obtained by structuring the membrane by various geometric shapes.
  • advantageous geometric shapes are diamonds, squares, polygons and circles.
  • the channels may be straight, but they may also not be linear, e.g. in a meandering shape or in a mixer structure.
  • the membrane is provided due to the structuring with protruding, raised areas. These areas have a preferred height of about 1 to 100 microns, preferably from about 5 to 50 microns, more preferably from about 10 to 30 microns, and most preferably from about 10 to 20 microns, on.
  • the resulting channels and / or ramifications on the membrane can either be completely continuous and allow a constant flow of the medium, but they can also represent only completed branches, in which the medium penetrates and (possibly after the gas transfer) in the same way again exit.
  • the membrane is predominantly channeled, even more preferably predominantly channeled and branched.
  • the channels on the membrane represent continuous paths for a medium, so that the medium can slide parallel, in antiparallel or in another form (such as undulating) to the inflow direction into the chamber through the channels.
  • ramifications according to the invention are branches into which a medium can enter, but, as in a dead end, can not leave the branch at a location other than the entry point.
  • the ramifications can be arranged parallel or perpendicular to the direction of inflow into the chamber. You can also take any angle between a parallel or vertical arrangement, i. an angle of 0 ° to 90 °.
  • the branches are at an angle of about 10 ° to 80 °, more preferably from about 20 ° to 70 °, even more preferably from about 30 ° to 60 °, and most preferably from about 40 ° to 50 ° , arranged to the inflow direction.
  • the entrances of the branches lie on the side facing the main flow.
  • the inflow into the ramifications takes place parallel, perpendicular or at one of the above-mentioned angles to the main flow.
  • an arrangement of the branches to the inflow direction is conceivable, which is an arrangement between a vertical and a parallel, so that inflow into the branches takes place substantially antiparallel (i.e., antiparallel or at any angle between the antiparallel and vertical inflow) to the main flow.
  • the membrane used in the gas transfer device of the present invention may be made of any materials having good gas permeability (gas permeability).
  • Good gas permeabilities are given, for example, at values above 100 ml / m 2 , preferably above 1,000, more preferably above 5,000, even more preferably above 10,000, and most preferably above 20,000 ml / m 2 per hour at 24 atm (ie above 20,000 ml / m 2 within 24 h at ambient pressure), and at 25 ° C, 90% relative humidity (RH) and a material thickness of about 30 microns, depending on the desired purpose in view of the particular desired gas (in particular, for example, oxygen or carbon dioxide) ,
  • the membrane is typically substantially liquid impermeable, ie, it has a moisture permeability of ⁇ 1000, preferably ⁇ 500, more preferably ⁇ 100 and even more preferably ⁇ 10 g / m 2 (ie gH 2 O / m 2 ) in 24 h, 40 ° C, 90%
  • the (gas) permeable membrane may on the one hand be a porous membrane, i. a membrane that has discrete pores.
  • the membrane may be a homogeneous solubility membrane with no discrete pores in which mass transport occurs by solution of the permeate (i.e., gas) in the polymer and separation occurs due to different solubilities in the polymer.
  • the membrane is a non-porous permeable membrane.
  • Gas exchange may be subject to convective and diffusive mass transfer.
  • the gas exchange is diffusive and is determined by the difference in gas concentration on both sides of the membrane.
  • the membrane is selectively substantially permeable to oxygen and / or carbon dioxide.
  • the membrane may be particularly well permeable to certain gases, but the permeability may be limited for other gases.
  • the gas transfer device for gas exchange in the blood is a good permeability for Oxygen and / or carbon dioxide important (see the above permeability values).
  • the membrane is not or only slightly permeable to nitrogen.
  • the membrane is only slightly permeable to nitrogen. Then the blood can be fumigated with air (instead of pure oxygen).
  • the membrane will have good permeabilities for other gases.
  • the membrane when used as or for reactors (eg, bioreactors), the membrane may have good permeability to one or more gases selected from N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 , NH 3 , H 2 S, CH 3 or other hydrocarbons , or other gases (eg., Noble gases) have.
  • gases eg., Noble gases
  • the membrane thickness is according to the invention about 1-200 microns, preferably in the range of about 5-200 microns, more preferably about 10-100 microns, more preferably about 20-50 microns. It is the thickness of the membrane without the outstanding areas obtained by the structuring.
  • the membrane is stabilized by a carrier material selected from the group consisting of porous foams, ceramics, polymers, possibly also a support layer of TPX.
  • the membrane may also be designed as a membrane stack.
  • the use of membrane stacks typically has at least two advantages over the use of simple membranes. On the one hand, the efficiency is increased because more surface is available for gas exchange. On the other hand, membrane stacks are also more stable than simple membranes. On the other hand, in applications which require a compact design of the gas transfer device according to the invention, for example due to miniaturization, the choice of membrane instead of membrane stacks is more preferred.
  • the stacking of membranes can be automated or done by hand.
  • the membranes can be placed either parallel to each other or offset by a certain angle to each other. Particular preference is given to membrane stacks which have a staggered angle of 90 °.
  • the individual membranes are connected to each other at the marginal strip and / or at each elevation.
  • techniques such as bonding (eg UV adhesive), ultrasonic welding, heat-welding, bonding or the formation of covalent molecular compounds (for example NH 3 -COOH to the amide bond) can be used.
  • the membrane stacks may have either the same or different membranes in terms of their structuring or composition.
  • the membrane stacks consist of structured, permeable, non-porous membranes in alternating sequence with nanoporous membranes.
  • the membrane stacks consist of about 10, preferably about 50, more preferably about 100 and even more preferably more than about 100 membranes, eg even over 1000 membranes.
  • the critical component of the gas transfer device according to the invention in terms of its durability is the membrane.
  • the recent widespread clinical use of organ-supporting systems with foreign surfaces in contact with blood has shown that undesirable systemic reactions (proinflammatory immune response) can occur.
  • systemic reactions proinflammatory immune response
  • attachment of plasma proteins and cells leads to cross-sectional constriction and thrombosis formation.
  • long-term use causes the formation of a proliferative inner layer, which is referred to as "neo-intima".
  • this phenomenon is observed in oxygenators used to support lung function in, for example, cardiopulmonary bypass machines, but also in artificial heart systems or hemodialysis apparatus. Therefore, the membrane can and should be improved in various ways in their durability.
  • the membrane can be post-treated by plasma activation.
  • the membrane in particular for the use of the gas transfer device according to the invention in medicine, can be populated with cells, preferably Ephitel cells.
  • the colonization of the membrane with cells represents a significant extension of the durability, as this nonspecific attachment of substances from the media used to the membrane is avoided or greatly inhibited and thus the membrane in its gas permeability is not or only slightly deteriorated over time.
  • the membrane is comprised of biological substances, for example selected from (poly) saccharide, preferably heparin, nucleic acid, preferably DNA, RNA or PNA, protein, preferably albumin, lipid, proteoglycan, or organic polymers, e.g. Polyethylene glycol or coated with combinations of these substances.
  • biological substances for example selected from (poly) saccharide, preferably heparin, nucleic acid, preferably DNA, RNA or PNA, protein, preferably albumin, lipid, proteoglycan, or organic polymers, e.g. Polyethylene glycol or coated with combinations of these substances.
  • the invention relates to a gas transfer device comprising a membrane structured as described above.
  • the term "gas transfer device” comprises a gassing or degassing and gas exchange device.
  • a gassing or degassing one or more gases from one chamber into the other chamber, without any return transport takes place.
  • the same or another gas or even several gases migrate from the other chamber into the first chamber. The gases are thus exchanged for each other.
  • the amount of gas that moves in one direction does not have to be identical to the amount of gas that makes an opposite migration.
  • the transfer takes place in accordance with the respective concentration gradient.
  • the at least two chambers of the gas transfer device according to the invention serve to receive a respective medium, i. a gas, a liquid or a solid or mixtures thereof.
  • the chambers serve for receiving special media.
  • a gas to be separated is contained in a gas mixture or in a liquid in one of the chambers, another chamber also contains either a gas or a liquid into which the gas to be separated is to pass.
  • the second-mentioned chamber may also be unfilled or under a slight or strong negative pressure to facilitate the gas transfer.
  • the gas transfer device for use in biotechnology, at least one of the chambers is preferably for receiving a liquid, eg, a culture medium, and another chamber for receiving a gas to be transferred to the liquid.
  • the gas transfer device according to the invention comprises at least two chambers, preferably one of the chambers for receiving a liquid and a further chamber for receiving a gas is intended to pass into the liquid. If the gas transfer device according to the invention is used for gassing or for gas exchange in the blood, at least one chamber receives the liquid, for example blood, and at least one further chamber receives oxygen or an oxygen-containing gas mixture.
  • the membrane passes through the membrane oxygen from the one chamber into the blood-filled chamber, and optionally carbon dioxide from the blood-filled chamber enters the oxygen-containing chamber.
  • the transfer of carbon dioxide into the at least one oxygen-containing chamber can also be omitted by the membrane is chosen so that it does not allow carbon dioxide permeability.
  • the chambers may be made of any suitable material.
  • the chambers of plastic, metal, glass, ceramic or other materials, for example. Composite materials exist.
  • steel chambers can be used for use in reactors.
  • Preferred material for the chambers is plastic.
  • the different chambers can be made either of the same material or of different materials. In particular, the stability of the material is of importance for a chemical application, whereas for use in biotechnology and medicine particular attention must be paid to the compatibility with the media used in the chambers, in particular the standards for, for example, medical application (sterility etc.).
  • the size of the chambers may be selected in a suitable manner.
  • the chambers may be the same or different sizes and also have the same or different geometries.
  • one or more chambers may be dimensioned so small that the membrane is directly in communication with the (opposite) chamber wall (preferably via the structural patterns on the membrane).
  • one of the chambers or even several chambers can have dimensions of up to a few meters.
  • one of the chambers can be designed as a reactor itself, which is for example up to about 10 m wide.
  • At least one of the chambers preferably has a diameter of about 1 ⁇ m to about 1 cm, more preferably about 5 ⁇ m to about 500 ⁇ m, even more preferably about 10 ⁇ m to about 200 ⁇ m, and most preferably about 20 ⁇ m up to about 100 microns.
  • the second-mentioned case for example.
  • has at least one of the chambers preferably has a diameter of about 1 cm to about 10 m, more preferably about 5 cm to about 5 m, even more preferably about 10 cm to about 2 m, and most preferably about 20 cm to about 1 m.
  • at least two chambers have the above-mentioned diameters.
  • the chambers of the gas transfer device each have at least one opening for receiving the medium.
  • the chambers each have at least one inlet and outlet to be designed as flow chambers.
  • at least one of the chambers is designed as a flow chamber, more preferably all chambers are designed as flow chambers.
  • connections to further chambers or devices can be provided at the inlets and / or outlets.
  • connections for hoses, which serve for introducing the media into the chambers and / or for discharging the media may be provided at the inlets and / or outlets.
  • at least two chambers are designed as flow chambers, they can be operated in cocurrent or countercurrent.
  • pumps may be used to pass the media through the chambers.
  • the passage of the media through the chambers can be done under ambient pressure or under or overpressure.
  • the passage of the media through the chambers could occur at a vacuum of 100 to 10 mbar or at an overpressure of 50 to 300 mbar.
  • the gas transfer device comprises more than two, preferably more than 10, more preferably more than 20, even more preferably more than 50, most preferably more than 100 chambers, each separated by a membrane.
  • the gas transfer device according to the invention is constructed so that the chambers alternately contain the medium which receives a gas and which emits a gas or is a gas.
  • a gas transfer device may further comprise, in an alternative embodiment of the invention, two or more of said devices, the chambers preferably being superimposed (i.e., parallel to each other).
  • the chambers may also be concentrically serially or around each other.
  • the chambers alternate with the medium which receives the gas, with chambers which contain the gas-releasing medium from.
  • a device comprising more than two chambers ensures greater efficiency than devices with only two chambers.
  • the improved efficiency is offset by a loss of compactness of the gas transfer device according to the invention.
  • the gas transfer device is used for gassing or gas exchange in any media (gas, liquid, solid, mixtures thereof, etc.).
  • the gas transfer device of this invention is generally used for reactions involving gases, such as gas / gas, gas / liquid or gas / solid reactions. Furthermore, the gas transfer device according to the invention can also be used for gas purification and gas separation.
  • the gas transfer device is used in biotechnology and in medicine.
  • biotechnology it is used in particular as or in the bioreactor for the cultivation of various cells, for example, with the aim of expressing genes of interest.
  • the gas transfer device according to the invention is preferably used for the fumigation of blood, in particular in patients with respiratory failure or other pulmonary errors for long-term therapy or in operations, e.g. Transplantations where the patient is connected to a heart-lung machine for acute therapy.
  • the gas transfer device according to the invention can be used for the gassing of blood or for gas exchange in blood. It thereby assumes functions of an artificial lung.
  • an artificial lung will typically be designed as an external device, but it could also be implanted in a patient.
  • the gas transfer device according to the invention is designed as an external or implanted device, it has different dimensions.
  • an internally usable gas transfer device according to the invention will be structured on a miniature scale so that it can be used in particular for implantation, e.g. in the vein of a patient, is suitable.
  • the chambers of the gas transfer device can serve for receiving different media.
  • several chambers may be filled with gases.
  • One of the chambers or all chambers can also serve to receive a liquid.
  • the liquid is preferably a biological fluid.
  • the biological fluid should be both as Liquid, which is a body fluid of a living being, as well as a liquid which is biologically non-toxic to at least one organism or needed for its growth.
  • the biological fluid is selected from the group consisting of blood, blood serum, cell suspension, cell solution and culture medium. If at least one of the chambers of the gas transfer device according to the invention is used for receiving a liquid, it is preferred that the membrane which separates this chamber from a further chamber has a structuring on the side of the liquid, as described above.
  • the chambers of the gas transfer device can be dimensioned differently.
  • the chambers can have very small dimensions and be used as flow chambers for use, for example, in reactors (chemical or bioreactors). They can be connected to the reactors either internally or externally via suitable connections. For example, a portion of a medium may be removed from the reactor via suitable connections (e.g., tubing) and introduced into one of the chambers of the gas transfer device.
  • the other chamber (designed, for example, as a throughflow chamber) can be filled with another medium which delivers a gas to the liquid from the reactor or receives it.
  • At least one of the chambers may have such large dimensions that it itself serves as a reactor.
  • a medium is then passed, which serves for receiving or for delivering a specific gas to the reactor medium.
  • the blood-to-blood / blood-discharging inlet / outlet bends are mounted as kink protection in the inlet / outlet area of the membrane lung.
  • the transition points in the inlet / outlet lines and tube extensions are infinitely designed to minimize the risk of thrombosis due to dead zones, sharp edges, etc. in the flow area.
  • the membrane used in the NovaLung ® -iLA diaphragm fan according to the prior art is a hollow fiber membrane, is discharged via the oxygen to the blood and carbon is removed from the blood.
  • this hollow-fiber membrane can be replaced by a structured membrane in the sense of the present invention.
  • the Novalung ® -ILA Membrane Ventilator System works on the following principle: The blood enters the feeding tube extension and inlet line from the femoral artery via the arterial Novalung ® cannula NovaPort ® . The blood enters the casing of the membrane lung through the inlet arch. In the background The blood is distributed to the prechamber, at the same time any incoming air is discharged upwards. Venting membranes are integrated on both sides at the top of the membrane system. These are hydrophobic membranes that allow gaseous substances to pass but retain liquids. The venting membranes are used to facilitate filling, venting and permanent elimination of air during the process. In the following main chamber gas exchange takes place as described above.
  • the decarboxylated and oxygenated blood is delivered to the patient via the discharge tube, the membrane system, the outlet pipe with hose extension and NovaLung ® cannula Novaport ® the femoral vein.
  • the gas transfer device according to the invention may further comprise further components.
  • a heat exchanger may be connected to the gas transfer device in order to temper the temperature of the medium in the chambers or through the chamber.
  • apparatuses which monitor or specify certain parameters of the medium in the chambers or through the chamber can likewise be connected to the gas transfer device according to the invention.
  • an apparatus may be connected to the gas transfer device which monitors the gas pressure (when using a gas as a medium).
  • FIG. 1 For example, a portion of a gas permeable and liquid impermeable structured membrane 1 for use in a gas transfer device according to a simple embodiment of the invention is illustrated schematically and greatly enlarged.
  • the two opposite sides 2, 3 of the membrane 1 are provided with a structure and this structure consists of parallel walls 4, which form channels 5 between them.
  • the walls 4 are arranged at regular intervals 6 from each other over the two outer surfaces 2, 3 of the membrane 1 and protrude substantially vertically upwards or downwards from the plane of Membrane 1 out.
  • the spacing 6 of the walls 4 in this embodiment is in the range of about 20 to 150 microns and the channels 5 make up over 50% of the total surface 2, 3 of the membrane 1 from.
  • FIG. 1 can also be seen, extend the channels 5 on the upper side 2 of the membrane 1 transversely or perpendicular to the channels 5 on the lower side 3 of the membrane.
  • a simple gas transfer device In a simple gas transfer device according to the invention at least two chambers through the in FIG. 1 shown, gas-permeable and liquid-impermeable membrane separated.
  • the at least one first chamber on the upper membrane side 2 is intended to receive a biological fluid such as blood
  • the at least one second chamber on the lower diaphragm side 3 is intended to receive a gas such as oxygen.
  • Each chamber is further formed as a flow chamber, so that the blood B above, for example, from front to back and the oxygen O down, for example, from right to left through the respective chamber can flow.
  • the patterning of the membrane surfaces serves to improve gas transfer by providing a larger area for intimate contact between the liquid and gaseous phases.
  • the flow properties of the liquid and gaseous phases via the structuring increase the gas transfer across the membrane.
  • an improved mass transport is obtained by, in particular, improved diffusion properties, which are due to the small spacing 6 of the walls 4 and thus the reduction of the flow resistance.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through part of a gas transfer device 20 according to a simple embodiment of the invention.
  • the membrane 1 in this example is stabilized by two layers 7 of a carrier material.
  • the carrier material 7 is preferably made of the same polymer as the membrane 1 and is connected to it by welding (eg by ultrasound or laser) or a covalent bond.
  • Each support layer 7 may have the same or a greater wall thickness than the membrane 1, for example, a significantly greater wall thickness up to 1 mm or 2 mm.
  • the channels 5 on the lower side 3 of the membrane 1 together with the lower carrier layer 7 form a series of juxtaposed, second chambers 22 for the gas (oxygen).
  • the channels 5 on the upper and lower sides 2, 3 of the membrane 1 are parallel with each other, but the blood B and the oxygen O flow in the opposite directions.
  • the blood B flows through the first chambers 21 into the plane of the drawing as seen by the observer, and on the lower side, the oxygen O flows out of the plane of the drawing through the second chambers 22.
  • FIGS. 3 to 5 A structured membrane 1 for use in a gas transfer device 20 according to a preferred embodiment of the invention will now be described.
  • this membrane is structured so that it forms both straight channels 5 as ramifications or branched or branched ways 8 for the flow of the liquid and gaseous phases.
  • this membrane is structured so that it forms both straight channels 5 as ramifications or branched or branched ways 8 for the flow of the liquid and gaseous phases.
  • the lower side 3 is designed analogously.
  • At the opposite ends 9 are parallel extending, square recesses which form a series of juxtaposed channels 5, for example for a biological fluid.
  • These channels 5 belong to the first chamber 21 and form inlets 23 and outlets 24 in the first chamber 21 with the direction of flow shown by the arrows A.
  • the channels 5 are in communication with a wide, central field on the membrane top 2, with cylindrical Projections or knobs 10 are fitted, which are substantially perpendicular from the membrane plane protrude. Like from the FIG. 5 is to be guessed, the lower side of the membrane 3 looks exactly the same.
  • the walls 4 of the channels 5 and the projections or nubs 10 are all at a distance 6 from each other in the range of about 20 to 150 microns.
  • the protrusions 10 are arranged to stand as obstacles in the flow direction and cause a deflection and a splitting of the flow through the respective chamber. This deflection and splitting of the flow in turn leads to ramifications 8 in the chamber or, in other words, to branched or branched flow paths 8, as shown by the flow arrows.
  • this membrane 1 As in FIG. 2 , Is provided from above and below with a substrate 7 and stabilized, the cavities that create the upper first chamber 21 and the lower second chamber 22 arise.
  • the attachment and the connection of the carrier layers 7 take place as described above.
  • At the edge of the upper (and lower) membrane side 2 is a rectangular recess 11 for receiving the carrier layer 7, when the membrane 1 is covered from above with this layer 7.
  • the inner side of the carrier layer 7 may also be in contact and in connection with the upper ends 12 of the projections or nubs 10, but this is not absolutely necessary.
  • the upper ends 12 of the projections or nubs may also be free in the respective chamber.
  • FIG. 6 shows a gas transfer device 20 according to a preferred embodiment of the invention in a perspective view.
  • the device 20 consists of a membrane stack.
  • the membranes 1 are similar to those in Figs FIGS. 3 to 5 shown but the inlets 23 and outlets 24 on the lower side 3 are aligned perpendicular to those on the upper side 2, as in FIG. 1 ,
  • a biological fluid such as blood may flow in a direction B over the upper side of each membrane 1 and oxygen O may flow across the lower side 3 of each membrane 1 in a transverse direction.
  • the stacking of the individual membranes 1 results in a cuboid arrangement, which with corresponding seals at the edges and suitable connections for connecting Hoses serve as a module in a gas transfer device, for example, in an artificial lung.
  • FIG. 7 Figure 11 is a graph showing the results of oxygen enrichment in a test fluid in a single microchannel.
  • the microchannel was provided with a mixer structure (ie, an entangled channel) and had a length of 66 mm and a square cross section of 320 ⁇ m depth and 320 ⁇ m width.
  • the test fluid was pumped through the microchannel at a rate of 2.4 ml / min.
  • the graph shows a significant enrichment of oxygen (as a partial pressure in the liquid) by the method with the gas transfer device according to the invention.
  • the gas transfer device of the invention may be designed differently than in the figures without departing from the general features of the invention as claimed.
  • the second chamber could be in the first chamber or substantially surrounded by the first chamber.
  • the first chamber could be in the second chamber or be substantially surrounded by the second chamber.
  • the device of the invention is not limited to maximum treatment of the biological fluid. Rather, the structure of the device according to the invention allows a plurality of possible simultaneous treatments.

Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Gastransfervorrichtung mit einer spezifisch strukturierten Membran, wobei die Membran durch ihre Strukturierung einen besonders effektiven Gasaustausch ermöglicht, insbesondere zwischen einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase.
  • Gastransfervorrichtungen kommen in vielen Gebieten der Technik zum Einsatz. Dabei handelt es sich entweder um Begasungs- bzw. Entgasungsvorrichtungen, bei denen ein oder mehrere Gase von einem Medium in ein anderes übertreten, oder um Gasaustauschvorrichtungen, die den gegenseitigen Austausch eines oder mehrerer Gase zwischen zwei Medien ermöglichen. Gastransfervorrichtungen finden beispielsweise in der chemischen Verfahrenstechnik Anwendung. Sie dienen dort zur Zufuhr von Gasen für Gas/Flüssig- oder Gas/Feststoff-Reaktionen. jedoch können sie auch zur Gastrennung bzw. Gasaufreinigung eingesetzt werden, indem nicht ein Gas eingeleitet wird, sondern Gas aus einem Gasgemisch oder einem anderen Reaktionsgemisch abgezogen wird.
  • Daneben finden Gastransfervorrichtungen ebenfalls in der Biotechnologie und der Medizin Anwendung. Der wichtigste Einsatzort in der Biotechnologie ist deren Verwendung in Kultivierungsreaktoren. Mittels Gastransfervorrichtungen werden hier Zellkulturen spezifisch und kontrolliert mit den für die bestimmte Kultur notwendigen Gasen versorgt bzw. Ausscheidungsgase werden aus dem Nährmedium entfernt. Auch in der Medizin kommen Gastransfervorrichtungen zum Einsatz. Der wichtigste Einsatzzweck ist hier die Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff bei gleichzeitiger Entfernung von Kohlenstoffdioxid aus dem Blut. Solche Maßnahmen sind bspw. bei diversen Operationen und bei der Behandlung von verschiedenen Lungenerkrankungen notwendig.
  • Lungenerkrankungen stehen mit 9 Mio. Todesfällen pro Jahr an dritter Stelle der Todesursachenstatistik der WHO. Die derzeit einzige langfristig effektive Therapieoption für Patienten mit endgradiger funktioneller Lungenerkrankung stellt die Lungentransplantation dar. Eine andere medizinische Lösung, um dauerhaft die Funktion der Lunge zu ersetzen, existiert hingegen nicht. Deshalb besteht insbesondere ein signifikantes Bedürfnis nach dauerhaften, künstlichen Lungenersatzverfahren, welche bei Patienten mit chronischen Lungenerkrankungen, die nicht für eine Lungentransplantation in Betracht kommen, angewendet werden können. Außerdem besteht ebenfalls Bedarf nach Lungenersatzvorrichtungen, die bei Patienten eingesetzt werden, die auf eine Lungentransplantation warten. Die Wartezeiten sind derzeit so lang, dass ca. 80% der Patienten vor der medizinisch indizierten Lungentransplantation versterben. Geeignete, über längere Zeiträume einsetzbare Lungenersatzvorrichtungen könnten hier Abhilfe schaffen.
  • Bereits in den 1950er Jahren wurden Begasungsvorrichtungen für solche Zwecke entwickelt. Diese sogenannten Oxygenatoren, d.h. Sauerstoff-Begasungsvorrichtungen, haben bis heute eine fortwährende Entwicklung durchlaufen und werden noch heute in ihrer Funktionalität weiter verbessert.
  • Der Prototyp eines solchen Oxygenators war ein Filmoxygenator, bei dem von einer Rollenpumpe gefördertes Blut über Siebe in fast reiner Sauerstoffumgebung mit Sauerstoff angereichert wurde. Der großflächige direkte Kontakt mit Sauerstoff führte jedoch zur Denaturierung von Plasmaproteinen - ein entscheidender Nachteil beim Einsatz des Filmoxygenators.
  • Nachfolgend wurde der sog. "Bubble"(Blasen)-Oxygenator entwickelt. Dabei wurde Blut in einer Blutsäule mit Gasbläschen angereichert. Durch Variieren des Gasflusses wird die Sättigungsleistung eingestellt. Der Gasaustausch findet dabei direkt an der Oberfläche der Gasbläschen statt. Das größte Problem des Bubble-Oxygenators war bzw. ist die bei dieser Sauerstoffanreicherung auftretende Aufschäumung des Blutes, die im Körper zu Mikroembolien führen kann. Nachfolgende Entschäumungsverfahren sind daher notwendig, was dieses Verfahren aufwendig und teuer macht. Beispiele für Oxygenatoren der Bubble-Art sind u.a. in DE 22 08 868 , DE 23 14 644 , DE 23 32 445 und DE 30 01 018 beschrieben.
  • Kurz nach der Entwicklung des Bubble-Oxygenators erfolgte bereits 1956 erstmalig der Einsatz eines Membranoxygenators. Beim Membranoxygenator ist die Gasphase von der Blutphase durch eine Membran getrennt. Der Gasaustausch findet an der gasdurchlässigen Membran aufgrund von Partialdruckdifferenzen der beteiligten Gase vorwiegend über Diffusion statt. Die Membranen können dabei als Flachmembranen oder als Kapillar- bzw. Fasermembranen ausgestaltet sein. Zwei Typen von Membranoxygenatoren des jüngeren Standes der Technik sind beispielsweise in US 5,137,531 und US 6,682,698 beschrieben. Ein genereller Nachteil der nach dem Diffusionsprinzip arbeitenden Membranoxygenatoren ist jedoch, dass große Membranflächen bereitgestellt werden müssen, um einen effektiven Stoffaustausch zwischen Blut und Sauerstoff in einer bestimmten Zeit zu erreichen. Die Diffusion durch die Membran kann dabei durch Erhöhung des Sauerstoffdrucks bzw. durch die Änderung der Strömungseigenschaften des Blutes beeinflusst werden. Es ist jedoch grundsätzlich recht schwierig, einen Kompromiss zwischen potentieller Blutschädigung, Thromboseneigung und effektivem Gasaustausch zu schließen.
  • Bei den heute überwiegend verwendeten Fasermembran-Oxygenatoren ist durch die große Gesamtoberfläche der Membran zwar eine recht gute Diffusion einstellbar, nachteilig wirkt sich für diesen Oxygenator aber die kostspielige und aufwendige Herstellung der Fasern aus. Ein weiterer Nachteil der zurzeit verwendeten Oxygenatoren ist die nur sehr kurze Haltbarkeitsdauer. So kann ein Oxygenator des Standes der Technik nur für einige Tage, höchstens bis zu einem Monat, eingesetzt werden. Eine Langzeitanwendung, wie sie insbesondere bei Patienten mit chronischem Lungenversagen wünschenswert wäre, kann gleichwohl nicht befriedigend realisiert werden.
  • Die beispielhaft für die in der Medizin verwendeten Oxygenatoren genannten Nachteile treten ebenfalls bei Gastransfervorrichtungen auf, welche in der Chemie und Biotechnologie verfahrenstechnisch zum Einsatz kommen.
  • Aus der WO 02/076529 A1 ist eine Vorrichtung zum Prozessieren von Blut bekannt, die eine erste Platte aufweist, die mit einer Anzahl von ersten Kanälen in einer ersten Richtung zum Transportieren eines Fluids, wie Blut, versehen ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine zweite Platte, die in der Nähe der ersten Platte angeordnet ist und die mit einer Anzahl von zweiten Kanälen in einer zweiten Richtung für den Transport von einem oder mehreren Gasen oder eines Gemisches aus gasförmigen Medien versehen ist, wobei zwischen den ersten und den zweiten Kanälen eine gasdurchlässige Membran angeordnet ist.
  • Aus der EP 1 847 594 A2 ist ein künstliches Lungensystem bekannt, bei dem eine Gasaustauschmembran eine Blutseite von einer Luftseite trennt, wobei die Gasaustauschmembran auf der Blutseite und der Luftseite jeweils eine Fremdoberfläche aufweist, die auf der Blutseite und/oder auf der Luftseite mit biologischen Zellen besiedelt ist. Das künstliche Lungensystem kann zur Herstellung eines extrakorporalen oder implantierbaren Lungenunterstützungssystems oder zur Herstellung eines Lungenmodellsystems für die Untersuchung von Atemwegsbelastungen verwendet werden.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, verbesserte Gastransfervorrichtungen bereitzustellen, welche in der Chemie, Biotechnologie und Medizin, insbesondere zur Begasung bzw. zum Gasaustausch im Blut, Verwendung finden können. Insbesondere soll mit der folgenden Erfindung eine Gastransfervorrichtung mit verbessertem Gastransfer durch die Membran und mit erhöhter Haltbarkeitsdauer bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die gemäß Hauptanspruch genannte Gastransfervorrichtung gelöst, die mindestens zwei Kammern und mindestens eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran umfasst, wobei die Kammern durch die Membran(en) voneinander getrennt sind und wobei die Membran(en) auf mindestens einer Seite strukturiert ist/sind und durch diese Strukturierung bzw. diese Struktur Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran gebildet werden, deren sich gegenüberliegende Wände eine Beabstandung von ≤ 500 µm, bevorzugt ≤ 250 µm, und weiter bevorzugt ≤ 150 µm aufweisen, und der Anteil der Membranoberfläche, der Kanäle und/oder Verästelungen mit dieser Beabstandung aufweist, mindestens 50 % der Gesamtoberfläche der Membran ausmacht, wobei die Membran auf beiden Seiten strukturiert ist, und auf mindestens einer Seite der Membran Verästelungen aufweist, die durch Noppen erzeugt sind, die derart angeordnet sind, dass sie als Hindernisse in der Flussrichtung stehen und eine Ablenkung und Aufspaltung der Strömung durch die jeweils zwei Kammern verursachen.
  • Die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung zeichnet sich durch eine besonders vorteilhaft strukturierte, mit Gasaustauschkanälen und/oder Verästelungen versehene Membran aus. In diesem Zusammenhang sind "Verästelungen" in Bezug auf die Berührungsflächen und die daraus entstehenden Wege für eine flüssige oder eine gasförmige Phase auf der Seite der Membran zu verstehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine, und bevorzugt jede, der mindesten zwei Kammern der Gastransfervorrichtung als Durchflusskammer gestaltet. Die sogenannten "Verästelungen" in der Strukturierung bzw. Struktur der Membran stellen daher verästelte oder verwinkelte Wege für den Fluss der flüssigen oder gasförmigen Phase über die jeweilige Seite der Membran bzw. durch die Kammer dar. Die Verästelungen können z.B. durch Stellen in der Membranstruktur entstehen, die als Hindernisse in der Flussrichtung stehen und eine Ablenkung und/oder eine Spaltung bzw. Aufspaltung der Strömung durch die jeweilige Kammer verursachen. In diesem Sinne ist die Membran auf beiden Seiten z.B. derart strukturiert, dass die Wände der Struktur aus einer Ebene der Membran herausragen bzw. hervorstehen und/oder in die jeweilige angrenzende Kammern hineinragen bzw. hineinreich. Diese Wände können bspw. von der flüssigen oder gasförmigen Phase in der Kammer umflossen sein. Diese Wände der Struktur, mit der die mindestens eine Seite der Membran versehen ist, bilden bspw. Vorsprünge, welche geometrische Formen, wie z.B. Quader, Rauten, Zylinder oder Pfosten, haben können und zu einer Verästelung der Membranseite führen. Ebenso können diese Wände Kanäle (z.B. verästelte Kanäle) bilden, welche die flüssige oder gasförmige Phase in der Kammer über die Membranseite führen.
  • Die erfindungsgemäße Strukturierung bzw. Struktur der Membran ermöglicht einen verbesserten Stofftransport (durch insbesondere verbesserte Diffusionseigenschaften) durch die Membran, ohne dass die Membran allerdings, wie im Stand der Technik vorgesehen, großflächig dimensioniert sein müsste. Dies beruht einerseits darauf, dass durch die Strukturierung eine größere Oberfläche geschaffen wird, die sich positiv auf den Gasübertritt auswirkt. Andererseits weisen die Wände der durch die Strukturierung entstandenen Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran eine kleine Beabstandung auf, wodurch die Diffusion durch die Membran beschleunigt wird. Die geringe Beabstandung der Kanäle und/oder Verästelungen sorgt dabei für eine deutliche Herabsetzung des Flusswiderstandes. Dies ist insbesondere bei Flüssigkeiten wie beispielsweise biologischen Flüssigkeiten, von Bedeutung. Bei der Verwendung von Blut führt der sog. Fareus-Lindquist-Effekt dazu, dass sich an den Wänden ein Film aus Blutplasma bildet, auf dem die Zellen durch die erfindungsgemäß strukturierten Kanäle und/oder Verästelungen gleiten.
  • Erfindungsgemäß ist die mindestens eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran der erfindungsgemäßen Gastransfervorrightung, die die Kammern voneinander trennt, auf beiden Seiten strukturiert. Beim Einsatz von Flüssigkeiten in der/den Kammer(n) ist vorzugsweise die der Flüssigkeit zugewandte Membranseite strukturiert. Insbesondere bei Flüssigkeiten werden die positiven Eigenschaften (z.B. die Herabsetzung des Flusswiderstandes) einer strukturierten Membran auf den Gasübertritt deutlich.
  • Erfindungsgemäß ist mindestens eine und bevorzugt jede der Kammern von der Membran bzw. von der Membranstruktur mindestens teileweise gebildet. Mit anderen Worten ist jede Kammer in einer bevorzugten Form der Erfindung mindestens teilweise von der Membran abgegrenzt bzw. umschlossen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die mindestens zwei Kammern eine erste Kammer zur Aufnahme bzw. zum Durchfluss einer biologischen Flüssigkeit und eine zweite Kammer zur Aufnahme bzw. zum Durchfluss eines Gases. Somit dienen die durch die Strukturierung gebildeten Kanäle und/oder Verästelungen einem Transfer von Gasmolekülen zwischen dem Gas und der biologischen Flüssigkeit.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung ist die erste Kammer in mehreren Kammern unterteilt, sodass die Vorrichtung mehrere erste Kammern umfasst, die von der zweiten Kammer durch eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran getrennt sind. Ebenso ist die zweite Kammer vorzugsweise in mehreren Kammern unterteilt ist, sodass die Vorrichtung mehrere zweite Kammern umfasst, die von der bzw. den ersten Kammer(n) durch eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran getrennt sind. Die mehreren ersten Kammern können in einer oder mehreren Reihen nebeneinander, und/oder in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind. In ähnlicher Weise können die mehreren zweiten Kammern in einer oder mehreren Reihen nebeneinander und/oder in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind. Ferner kann sich eine längliche Ausrichtung der ersten Kammer(n) bspw. quer und bevorzugt rechtwinkelig zu einer länglichen Ausrichtung der zweiten Kammer(n) erstrecken. jede der ersten Kammern ist damit vorzugsweise für einen Durchfluss von einem Einlass zu einem Auslass in einer Richtung gegen oder quer zur allgemeinen Flussrichtung der zweiten Kammer(n) ausgebildet. In ähnlicher Weise ist jede der zweiten Kammern vorzugsweise für einen Durchfluss von einem Einlass zu einem Auslass in einer Richtung gegen oder quer zur allgemeinen Flussrichtung der ersten Kammer(n) ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß kann die Membran aus einem organischen oder einem anorganischen Material bestehen oder ein solches umfassen. Zu anorganischen Membranmaterialien zählen Glas, Keramik (z.B. Aluminiumoxid, Titandioxid oder Zirkoniumoxid), Metall, Silikon oder Kohlenstoff. Zu organischen Membranmaterialien gehören insbesondere Polymermaterialien wie etwa Polyacrylamide, Polyacrylnitrile, Polyamide, Polybenzimidazole, Polybutadiene, Polycarbonate, Polydimethylsiloxane, Polyethersulfone, Polyetherimide, Polyolefine, Polyethylenterephtalate, Polymethylmethacrylat, Polymethylpenten, Polyphenylenoxid, Polystyrol, Polysulfone, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenfluorid, andere halogenierte Kohlenwasserstoffe und Zellulose und zyklische Olefincopolymere (COC). Organische Membranmaterialien können entweder das reine Polymer, ein Polymerkomposit (d.h. Mischung verschiedener Polymere oder Copolymere) oder Polymerschichtungen (d.h. Polymerlaminate) umfassen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Membranmaterial ein organisches Material, ausgewählt aus den oben genannten Materialien. Noch stärker bevorzugt ist das Membranmaterial ein Polymer, ein Polymerkomposit oder eine Polymerschichtung der genannten Materialien.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Polymer ein Polyolefin, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polybutadien oder Polypenten oder Methylvarianten davon. Am stärksten bevorzugt besteht oder umfasst das Membranmaterial Polymethylpenten. PDMS kann aber auch verwendet werden.
  • Ein in diesem Zusammenhang besonders geeignetes Membranmaterial stellt das unter der Produktbezeichnung TPX™ vertriebene Methylpentenpolymer der Firma Mitsui Chemicals dar. Neben vielen vorteilhaften Eigenschaften (beispielsweise gute Biokompatibilität) zeichnet sich TPX™ durch eine besonders hohe Sauerstoffpermeabilität aus (z.B. 47.000 ml/m2 pro Stunde bei 24 atm, 25°C, 90% relativer Feuchte (RH), und 25 µm Membranstärke; i.e. eine Sauerstoffpermeabilität von 47.000 ml/m2 je 24 Stunden (24 h) je bar Druckunterschied (d.h. 47.000 ml/m2.24h.bar) bei 25°C, 90% relativer Feuchte (RH) und einer Membranstärke von 25 µm). Zusätzlich besitzt TPX™ eine geringe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von 110 g Wasser je m2, innerhalb von 24 h bei 40°C und 90% relativer Feuchte (RH) und eine geringe Permeabilität für Stickstoff. Deshalb ist TPX™ als Membranmaterial für die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung besonders geeignet, insbesondere für Anwendungen mit Bezug zum Sauerstofftransport, bspw. zur Anreicherung von Blut mit Sauerstoff.
  • Abhängig vom gewählten Membranmaterial sind verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung strukturierter Membranen bzw. zur Strukturierung bereits bestehender Membranen bekannt. Das Standardverfahren zur Herstellung von sowohl organischen als auch anorganischen Membranen ist das Sintern, wobei die Erzeugung des Sintermaterials wiederum durch eine Vielzahl von Verfahren, wie Pressverfahren, Extrudieren, Filmgießen, Sedimentationsverfahren und Sol-Gel-Verfahren erfolgen kann. Für organische Membranen gibt es eine Reihe weiterer Herstellungsverfahren, wie z.B. das Recken (Strecken eines Polymers rechtwinklig zur Extrusionsrichtung), das Kernspurverfahren (radioaktive Bestrahlung mit anschließendem Ätzprozess), das Phaseninversionsverfahren (Fällungsreaktion) und das Schäumen (Porenbildung durch CO2-Expansion). Meist ist der industrielle Aufwand für die Herstellung von organischen Membranen geringer als der für anorganische Membranen. Die verwendete Membran kann nach einem beliebigen der genannten oder auch nach anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt bzw. strukturiert werden.
  • Vorzugsweise wird die Membran durch lithographische Verfahren, insbesondere die LIGA-Technik strukturiert. LIGA (Abk. für die Verfahrensschritte Lithographie, Galvanik und Abformung) bezeichnet ein Verfahren, welches auf einer Kombination von Tiefenlithographie, Galvanik und Mikroabformung basiert. Das LIGA-Verfahren wurde Anfang der 80er Jahre im Rahmen der Entwicklung des Trenndüsenverfahrens zur Urananreicherung entwickelt, um extrem kleine Trenndüsen herstellen zu können (E.W. Becker et al., Naturwissenschaften 69, 520-523 (1982)). Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Mikrostrukturen mit kleinsten Abmessungen aus verschiedenen Materialien wie Kunststoff, Metall oder Keramik (E.W. Becker et al., Microelectronic Engineering, 4, 35-56 (1986)). Insbesondere wird die LIGA-Technologie auch im Bereich der Mikrosystemtechnik verwendet.
  • Abhängig von der beim Lithographie-Verfahren verwendeten Strahlung wird zwischen Röntgen-LIGA und UV-LIGA unterschieden. Das LIGA-Verfahren besteht typischerweise aus folgenden Schritten, die nacheinander durchgeführt werden: Zunächst wird eine bis zu 1-mm-starke Röntgen- bzw. UV-empfindliche Kunststoffschicht (z.B. PMMA) auf eine Grundplatte mit elektrisch leitender Deckschicht aufgebracht. Danach erfolgt die lithographische Tiefenstrukturierung, indem ein Resist belichtet wird. Die belichteten Bereiche werden nachfolgend mit einem geeigneten Entwickler herausgelöst, wobei eine Negativform der Metallstruktur bestehen bleibt, die in der Galvanik erzeugt werden soll. In einem nachfolgenden galvanischen Verfahren wird ein Metall auf dem Substrat in den Bereichen abgeschieden, in denen der Resist beim Entwickeln entfernt worden ist. Der Resist wird nachfolgend herausgelöst, wobei die abgeschiedene Metallstruktur zurückbleibt. Diese Metallstruktur dient als ein Abformwerkzeug für Abformungstechniken wie Heißprägen und Spritzgießen, mit dem insbesondere organische Membranen (beispielsweise aus Kunststoff) erzeugt werden können. Neben dem Heißprägen und Spritzgießen können auch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren oder Vakuumtiefziehen zur Abformung eingesetzt werden. Weitere Beispiele der Technik zum Formenbau sind Mikropräzisionsfräsen und Ultrapräzisionsfräsen.
  • Die in der Gastransfervorrichtung verwendete Membran ist erfindungsgemäß auf mindestens einer Seite strukturiert, bevorzugt ist die Strukturierung erhältlich unter Einsatz von Mikrospritzguss oder Heißprägeverfahren. In einer weiteren Ausführungsform ist die Membran auf beiden Seiten strukturiert, ebenfalls bevorzugt erhältlich mit Hilfe von Spritzguss- oder Heißprägeverfahren.
  • Das LIGA-Verfahren stellt eine bisher zur Herstellung von strukturierten Membranmaterialien noch nicht verwendete Technik dar, wobei dadurch Produkte kostengünstig und in hohen Stückzahlen gefertigt werden können. Deshalb betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung strukturierter Membranen durch das LIGA-Verfahren und die dadurch erhaltenen Membranen.
  • Die Strukturierung der Membranen erfolgt im Mikrometer-Bereich. Erfindungsgemäß werden durch die Strukturierung Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran gebildet, deren Wände eine Beabstandung von ≤ 500 µm, bevorzugt ≤ 350 µm, weiter bevorzugt ≤ 150 µm, stärker bevorzugt ≤ 100 µm, und noch stärker bevorzugt ≤ 80 µm aufweisen. Die Abmessung bzw. die Höhe dieser Wände, insbesondere aus der Ebene der Membran, ist typischerweise in der selben Größenordnung wie die Beabstandung und liegt vorzugsweise im Bereich von 10-350 µm, weiter bevorzugt im Bereich von 10-200 µm, und noch weiter bevorzugt im Bereich von 10-100 µm. Erfindungsgemäß macht der Anteil der Membranoberfläche, der Kanäle und/oder Verästelungen aufweist, ≥ 50%, stärker bevorzugt ≥ 60%, noch stärker bevorzugt ≥ 70% der Gesamtoberfläche der Membran aus.
  • Die Geometrie der Strukturen auf der Membran kann beliebig variiert werden. So können Kanäle und/oder Verästelungen als Strukturen auf der Membran verwendet werden, die beispielsweise die Kapillarstruktur der natürlichen Lunge nachahmen.
  • Solche Kanäle und/oder Verästelungen können auch dadurch erhalten werden, dass die Membran durch verschiedene geometrische Formen strukturiert wird. Beispiele für vorteilhafte geometrische Formen sind Rauten, Vierecke, Vielecke und Kreise. Die Kanäle können beispielsweise gerade sein aber sie können ebenfalls nicht linear sein, wie z.B. in einer geschlängelten Form oder in einer Mischerstruktur.
  • Wie schon beschrieben, wird die Membran aufgrund der Strukturierung mit herausragenden, erhabenden Bereichen bereitgestellt. Diese Bereiche weisen eine bevorzugte Höhe von ca. 1 bis 100 µm, bevorzugt von ca. 5 bis 50 µm, stärker bevorzugt von ca. 10 bis 30 µm und am stärksten bevorzugt von ca. 10 bis 20 µm, auf.
  • Die entstehenden Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran können entweder ganz durchgängig sein und einen konstanten Fluss des Mediums ermöglichen, sie können aber auch nur abgeschlossene Verzweigungen darstellen, in die das Medium eindringt und (ggf. nach dem Gastransfer) auf dem gleichen Weg wieder austritt. Bevorzugt ist die Membran überwiegend mit Kanälen ausgestattet, noch stärker bevorzugt überwiegend mit Kanälen und Verästelungen.
  • Erfindungsgemäß stellen die Kanäle auf der Membran durchgängige Wege für ein Medium dar, so dass das Medium parallel, antiparallel oder in einer anderen Form (wie bspw. wellenförmig) zur Einströmrichtung in die Kammer durch die Kanäle hindurchgleiten kann. Hingegen sind Verästelungen erfindungsgemäß Verzweigungen, in die ein Medium eintreten kann, jedoch wie in einer Sackgasse nicht die Verzweigung an einer anderen Stelle als der Eintrittsstelle wieder verlassen kann. Die Verästelungen können parallel oder senkrecht zur Einströmrichtung in die Kammer angeordnet sein. Sie können auch jeden beliebigen Winkel zwischen einer parallelen oder senkrechten Anordnung einnehmen, d.h. einen Winkel von 0° bis 90°. Vorzugsweise sind die Verästelungen in einem Winkel von ca. 10° bis 80°, stärker bevorzugt von ca. 20° bis 70°, noch stärker bevorzugt von ca. 30° bis 60° und am stärksten bevorzugt von ca. 40° bis 50°, zur Einströmrichtung angeordnet. Bei einer solchen Anordnung der Verästelungen gegenüber der Einströmrichtung in die Kammer liegen die Eingänge der Verästelungen auf der dem Hauptstrom zugewandten Seite. Der Einstrom in die Verästelungen findet dabei parallel, senkrecht oder in einem der oben genannten Winkel zum Hauptstrom statt. Es ist ebenfalls eine Anordnung der Verästelungen zur Einströmrichtung denkbar, die eine Anordnung zwischen einer senkrechten und parallelen liegt, so dass der Einstrom in die Verästelungen im Wesentlichen antiparallel (d.h. antiparallel oder in einem beliebigen Winkel zwischen dem antiparallelen und senkrechten Einstrom) zum Hauptstrom stattfindet.
  • Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die für die Kanäle und/oder Verästelungen zur Verfügung stehende Oberfläche mehr als 50% der Gesamtoberfläche der Membran ausmacht. Dieser Anteil kann leicht mathematisch berechnet werden, indem der Differenzwert (in m2) aus der Gesamtoberfläche der Membran und der Oberfläche, die mit Strukturen belegt ist, mit dem Wert (in m2) für die Gesamtoberfläche ins Verhältnis gesetzt wird.
  • Die in der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung verwendete Membran kann aus beliebigen Materialien bestehen, die eine gute Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) aufweisen. Gute Gaspermeabilitäten ist beispielsweise gegeben bei Werten von über 100 ml/m2, bevorzugt über 1.000, stärker bevorzugt über 5.000, noch stärker bevorzugt über 10.000 und am stärksten bevorzugt über 20.000 ml/m2 pro Stunde bei 24 atm (d.h. über 20.000 ml/m2 innerhalb von 24h bei Umgebungsdruck), und bei 25°C, 90% relativer Feuchte (RH) und einer Materialstärke von ca. 30 µm, je nach gewünschtem Zweck in Hinblick auf das jeweils gewünschte Gas (insbesondere bspw. Sauerstoff oder Kohlendioxid). Ferner ist die Membran typischerweise im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässig, d.h. sie besitzt eine Feuchtigkeitspermeabilität von < 1.000, bevorzugt < 500, stärker bevorzugt < 100 und noch stärker bevorzugt < 10 g/m2 (i.e. gH2O/m2) in 24 h, 40°C, 90% RH.
  • Die (gas-)permeable Membran kann einerseits eine poröse Membran sein, d.h. eine Membran, die diskrete Poren aufweist. Andererseits kann die Membran eine homogene Löslichkeitsmembran ohne diskrete Poren sein, in der der Stofftransport durch Lösung des Permeats (d.h. Gases) im Polymer erfolgt und die Trennung aufgrund unterschiedlicher Löslichkeiten im Polymer stattfindet. Vorzugsweise ist die Membran eine nicht-poröse permeable Membran. Der Gasaustausch kann dem konvektiven und diffusiven Stoffaustausch unterliegen. Vorzugsweise ist der Gasaustausch diffusiv und wird über die Differenz der Gaskonzentration auf beiden Seiten der Membran bestimmt.
  • In einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Membran selektiv im Wesentlichen für Sauerstoff und/oder Kohlenstoffdioxid durchlässig. Abhängig von dem Einsatzort der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung kann die Membran für bestimmte Gase besonders gut durchlässig sein, die Permeabilität kann für andere Gase hingegen eingeschränkt sein. Beispielsweise bei der Verwendung der Gastransfervorrichtung zum Gasaustausch im Blut ist eine gute Permeabilität für Sauerstoff und/oder Kohlenstoffdioxid von Bedeutung (siehe die oben genannten Permeabilitätswerte).
  • In einer anderen spezifischen Ausführungsform ist die Membran nicht oder nur gering für Stickstoff durchlässig. Bspw. für eine Anwendung zum Gasaustausch ist es von Vorteil, wenn die Membran nur geringfügig für Stickstoff durchlässig ist. Dann kann das Blut mit Luft (anstelle von reinem Sauerstoff) begast werden.
  • Für andere Anwendungen der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung wird die Membran gute Permeabilitäten für andere Gase aufweisen. Beispielsweise im Einsatz als bzw. für Reaktoren (z.B. Bioreaktoren) kann die Membran eine gute Permeabilität für ein oder mehrere Gase, ausgewählt aus N2, O2, CO2, H2, NH3, H2S, CH3 oder andere Kohlenwasserstoffe, oder auch andere Gase (bspw. Edelgase) aufweisen. Die Membranpermeabilität für bestimmte Gase beim Einsatz der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung in der Chemie, z.B. zur Gasaufreinigung, Gastrennung oder für Reaktionen, hängt dabei von der Art des zu trennenden bzw. aufzureinigenden Gases bzw. von der Art des der Reaktion zugeführten bzw. abgeführten Gases ab.
  • Es liegt dabei im Ermessen des Fachmanns, ein Membranmaterial mit der geeigneten spezifischen Permeabilität für ein bestimmtes Gas oder bestimmte Gase bei der angestrebten Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung auszuwählen. Permeabilitätswerte für viele Membranmaterialien sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Die Membranstärke beträgt erfindungsgemäß ca. 1-200 µm, bevorzugt im Bereich von ca. 5-200 µm, weiter bevorzugt ca. 10-100 µm, stärker bevorzugt ca. 20-50 µm. Dabei handelt es sich um die Stärke der Membran ohne die durch die Strukturierung erhaltenen herausragenden Bereiche.
  • Durch die geringe Stärke der Membran kann es notwendig sein, die Membran durch ein geeignetes Trägermaterial zu stabilisieren. Vorzugsweise wird die Membran durch ein Trägermaterial, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus porösen Schäumen, Keramiken, Polymeren ggf. auch einer Stützschicht aus TPX stabilisiert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Membran auch als Membranstapel ausgestaltet sein. Die Verwendung von Membranstapeln hat typischerweise mindestens zwei Vorteile gegenüber der Verwendung einfacher Membranen. Einerseits wird der Wirkungsgrad erhöht, da mehr Oberfläche für den Gasaustausch zur Verfügung steht. Andererseits sind Membranstapel auch stabiler als einfache Membranen. Hingegen ist bei Anwendungen, die eine kompakte Gestaltung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung erforderlich machen, bspw. infolge einer Miniaturisierung, die Wahl von Membran anstelle von Membranstapeln stärker bevorzugt.
  • Das Stapeln von Membranen kann automatisiert oder von Hand durchgeführt werden. Die Membranen können dabei entweder parallel übereinander gelegt werden oder um einen bestimmten Winkel gegeneinander versetzt sein. Besonders bevorzugt sind Membranstapel, die einen gegeneinander versetzten Winkel von 90° aufweisen. Die einzelnen Membranen werden am Randstreifen und/oder an jeder Erhöhung miteinander verbunden. Dabei können Techniken wie Kleben (z.B. UV-Kleber), Ultraschallverschweißen, Hitze-Verschweißen, Bonden oder die Ausbildung von kovalenten molekularen Verbindungen (beispielsweise NH3-COOH zur Amidbindung) zum Einsatz kommen.
  • Die Membranstapel können entweder gleiche oder unterschiedliche Membranen im Hinblick auf deren Strukturierung oder Zusammensetzung aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Membranstapel aus strukturierten, permeablen, nicht-porösen Membranen in alternierender Abfolge mit nanoporösen Membranen. Vorzugsweise bestehen die Membranstapel aus ca. 10, bevorzugt ca. 50, stärker bevorzugt ca. 100 und noch stärker bevorzugt mehr als ca. 100 Membranen, z.B. sogar über 1000 Membranen.
  • Die kritische Komponente der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung im Hinblick auf ihre Haltbarkeit ist die Membran. Der bisherige vielseitige klinische Einsatz von organunterstützenden Systemen mit Fremdoberflächen, die mit Blut in Berührung kommen, hat gezeigt, dass es zu unerwünschten systemischen Reaktionen (proinflammatorische Immunantwort) kommen kann. Bei der Langzeitanwendung herkömmlicher Blutkontaktflächen führt eine Anlagerung von Plasmaproteinen und Zellen zur Querschnittsverengung und Thrombosebildung. Zudem wird bei langfristigem Einsatz die Bildung einer proliferativen Innenschicht bewirkt, was als "Neo-Intima" bezeichnet wird. Insbesondere wird dieses Phänomen bei Oxygenatoren, die zur Unterstützung der Lungenfunktion in beispielsweise Herz-Lungen-Maschinen Verwendung finden, aber auch bei Kunstherzsystemen bzw. Herzunterstützungssystemen oder Hämodialyseapparaturen beobachtet. Deshalb kann und sollte die Membran auf unterschiedliche Weise in ihrer Haltbarkeit verbessert werden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Membran durch Plasmaaktivierung nachbehandelt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere für die Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung in der Medizin, kann die Membran mit Zellen, vorzugsweise Ephitelzellen, besiedelt sein. Für eine langfristig einsetzbare erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung im medizinischen Rahmen (beispielsweise als Lungenunterstützungssystem) stellt die Besiedlung der Membran mit Zellen eine deutliche Verlängerung der Haltbarkeit dar, da dadurch eine unspezifische Anlagerung von Substanzen aus den verwendeten Medien an die Membran vermieden bzw. stark gehemmt wird und somit die Membran in ihrer Gaspermeabilität mit der Zeit nicht oder nur unwesentlich verschlechtert wird.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Membran mit biologischen Substanzen, bspw. ausgewählt aus (Poly)Saccharid, vorzugsweise Heparin, Nukleinsäure, vorzugsweise DNA, RNA oder PNA, Protein, vorzugsweise Albumin, Lipid, Proteoglykan, oder organischen Polymeren, bspw. Polyethylenglycol oder mit Kombinationen dieser Substanzen beschichtet.
  • Zur Besiedlung der Membran mit Zellen bzw. zur Beschichtung der Membran mit anderen Substanzen kann es vorteilhaft oder auch notwendig sein, die Oberfläche der Membran vorher zu modifizieren. Verfahren zur Modifikation von Membranen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können vom Fachmann anwendungsbezogen ausgewählt werden. Beispielsweise kann es notwendig sein, die Hydrophobizität / Hydrophilie / Ladungsdichte der Membran zu verändern, beispielsweise durch physikalische oder chemische Behandlung der Membran, um die Anhaftung zu verbessern.
  • Die Erfindung betrifft eine Gastransfervorrichtung umfassend eine wie oben beschrieben strukturierte Membran.
  • Erfindungsgemäß umfasst der Begriff "Gastransfervorrichtung" eine Begasungs- bzw. Entgasungs- und Gasaustauschvorrichtung. Bei einer Begasungs- bzw. Entgasungsvorrichtung treten ein oder mehrere Gase aus einer Kammer in die andere Kammer über, ohne dass ein Rücktransport stattfindet. Bei einer Gasaustauschvorrichtung hingegen wandern zusätzlich aus der anderen Kammer das gleiche oder ein anderes Gas oder auch mehrere Gase in die erste Kammer ein. Die Gase werden also gegeneinander ausgetauscht. Dabei muss die Gasmenge, die in die eine Richtung wandert, mit der Gasmenge, welche eine entgegengerichtete Wanderung vollzieht, nicht identisch sein. Typischerweise erfolgt der Transfer nach Maßgabe des jeweiligen Konzentrationsgefälles.
  • Die mindestens zwei Kammern der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung dienen zur Aufnahme jeweils eines Mediums, d.h. eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs bzw. deren Gemischen. In Abhängigkeit vom Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung dienen die Kammern zur Aufnahme spezieller Medien. Bei einer Anwendung zur Gasaufreinigung ist ein abzutrennendes Gas in einem Gasgemisch oder in einer Flüssigkeit in einer der Kammern enthalten, eine weitere Kammer enthält ebenfalls entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit, in die das zu trennende Gas übergehen soll. Die zweitgenannte Kammer kann aber auch ungefüllt sein bzw. unter einem leichten oder starken Unterdruck stehen, um den Gastransfer zu erleichtern.
  • Zur Verwendung in der Biotechnologie dient mindestens eine der Kammern vorzugsweise zur Aufnahme einer Flüssigkeit, z.B. eines Kulturmediums, und eine andere Kammer zur Aufnahme eines Gases, das in die Flüssigkeit übergehen soll. In seiner Verwendung als Oxygenator in der Medizin umfasst die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung mindestens zwei Kammern, wobei vorzugsweise eine der Kammern zur Aufnahme einer Flüssigkeit und eine weitere Kammer zur Aufnahme eines Gases dient, das in die Flüssigkeit übergehen soll. Wird die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung zur Begasung oder zum Gasaustausch im Blut verwendet, so nimmt mindestens eine Kammer die Flüssigkeit, also bspw. Blut, auf und mindestens eine weitere Kammer nimmt Sauerstoff oder ein Sauerstoff-enthaltendes Gasgemisch auf. Dabei geht durch die Membran Sauerstoff aus der einen Kammer in die mit Blut gefüllte Kammer über, und optional tritt Kohlenstoffdioxid aus der mit Blut gefüllten Kammer in die Sauerstoff-enthaltende Kammer ein. Hierbei kann der Transfer von Kohlenstoffdioxid in die mindestens eine Sauerstoff-enthaltende Kammer auch unterbleiben, indem die Membran so gewählt wird, das sie keine Kohlenstoffdioxid-Permeabilität zulässt.
  • Abhängig von der Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung können die Kammern aus jedem beliebigen geeigneten Material hergestellt werden. Beispielsweise können die Kammern aus Kunststoff, Metall, Glas, Keramik oder anderen Materialien, bspw. Komposit-Werkstoffen, bestehen. Auch können zur Verwendung in Reaktoren Stahlkammern eingesetzt werden. Bevorzugtes Material für die Kammern ist Kunststoff. Es liegt jedoch im Ermessen des Fachmanns, für eine bestimmte Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung ein geeignetes Material für die Kammern auszuwählen. Dabei können die unterschiedlichen Kammern entweder aus dem gleichen Material oder auch aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Für eine chemische Anwendung ist dabei insbesondere die Stabilität des Materials von Bedeutung, hingegen muss für die Verwendung in der Biotechnologie und Medizin insbesondere auf die Verträglichkeit mit den in den Kammern verwendeten Medien geachtet werden, insbesondere müssen die Standards für die bspw. medizinischen Anwendung (Sterilität etc.) eingehalten werden.
  • Ebenfalls abhängig von der Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung kann die Größe der Kammern in geeigneter Weise gewählt sein. Dabei können die Kammern gleich oder unterschiedlich groß sein und auch gleiche oder unterschiedliche Geometrien aufweisen. So können eine oder auch mehrere Kammern so klein dimensioniert sein, dass die Membran direkt mit der (gegenüberliegenden) Kammerwand in Verbindung steht (bevorzugt über die Strukturmuster auf der Membran). Andererseits können auch eine der Kammern oder auch mehrere Kammern Dimensionen von bis zu einigen Metern aufweisen. Beispielsweise bei der Verwendung als Reaktor (z.B. in der Chemie oder Biotechnologie) kann eine der Kammern als Reaktor selbst ausgestaltet sein, der beispielsweise bis zu etwa 10 m breit ist. Im erstgenannten Fall einer kleinen Kammerdimensionierung weist mindestens eine der Kammern vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1 µm bis etwa 1 cm, stärker bevorzugt etwa 5 µm bis etwa 500 µm, noch stärker bevorzugt etwa 10 µm bis etwa 200 µm und am stärksten bevorzugt etwa 20 µm bis etwa 100 µm auf. Im zweitgenannten Fall, bspw. bei der Verwendung als Reaktor, weist mindestens eine der Kammern vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1 cm bis etwa 10 m, stärker bevorzugt etwa 5 cm bis etwa 5 m, noch stärker bevorzugt etwa 10 cm bis etwa 2 m und am stärksten bevorzugt etwa 20 cm bis etwa 1 m auf. Besonders bevorzugt besitzen mindestens zwei Kammern die oben genannten Durchmesser. Es liegt jedoch im Ermessen des Fachmanns, für eine spezifische Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung eine geeignete Größe für die Kammern zu bestimmen. Dies gilt ebenfalls für die Dimensionierung der Länge und der Höhe der Kammern.
  • Die Kammern der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung weisen jeweils mindestens eine Öffnung zur Aufnahme des Mediums auf. Vorzugsweise weisen die Kammern jeweils mindestens einen Ein- und Auslass auf, um als Durchflusskammern ausgestaltet zu sein. Vorzugsweise ist mindestens eine der Kammern als Durchflusskammer ausgestaltet, stärker bevorzugt sind alle Kammern als Durchflusskammern ausgestaltet. An den Ein- und/oder Auslässen können beispielsweise Anschlüsse zu weiteren Kammern oder Geräten vorgesehen sein. Beispielsweise können an den Ein- und/oder Auslässen Anschlüsse für Schläuche, welche zum Einleiten der Medien in die Kammern und/oder zur Abführung der Medien dienen, vorgesehen sein. Wenn mindestens zwei Kammern als Durchflusskammern ausgestaltet sind, können sie im Gleich- oder Gegenstrom betrieben werden. Zum Durchleiten der Medien durch die Kammern können beispielsweise Pumpen verwendet werden. Das Durchleiten der Medien durch die Kammern kann unter Umgebungsdruck oder bei Unter- oder Überdruck geschehen. Zum Beispiel könnte das Durchleiten der Medien durch die Kammern bei einem Unterdruck von 100 bis 10 mbar oder bei einem Überdruck von 50 bis 300 mbar geschehen.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Gastransfervorrichtung mehr als zwei, vorzugsweise mehr als 10, stärker bevorzugt mehr als 20, noch stärker bevorzugter mehr 50, am stärksten bevorzugt mehr als 100 Kammern, die jeweils durch eine Membran voneinander getrennt sind.
  • Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung so aufgebaut, dass die Kammern abwechselnd das Medium enthalten, welches ein Gas aufnimmt und welches ein Gas abgibt bzw. ein Gas ist.
  • Eine erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung kann weiterhin, in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, aus zwei oder mehreren der genannten Vorrichtungen bestehen, wobei die Kammern vorzugsweise übereinander (d.h. parallel zueinander) gelagert sind. Alternativ können die Kammern auch konzentrisch seriell oder umeinander angebracht sein.
  • Vorzugsweise wechseln sich auch hier die Kammern mit dem Medium, welches das Gas aufnimmt, mit Kammern, welche das Gas abgebende Medium beinhalten, ab.
  • Eine Vorrichtung umfassend mehr als zwei Kammern gewährleistet einen größeren Wirkungsgrad als Vorrichtungen mit nur zwei Kammern. Dem verbesserten Wirkungsgrad steht ein Verlust der Kompaktheit der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung gegenüber.
  • Erfindungsgemäß findet die Gastransfervorrichtung Anwendung für die Begasung bzw. den Gasaustausch in beliebigen Medien (Gas, Flüssigkeit, Feststoff, Gemischen davon, etc.).
  • In der Chemie kann die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung im Allgemeinen für Reaktionen verwendet, an denen Gase beteiligt sind, wie z.B. Gas/Gas-, Gas/Flüssig- oder Gas/Feststoff-Reaktionen. Ferner kann die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung ebenfalls zur Gasaufreinigung und Gastrennung verwendet werden.
  • Bevorzugt wird die Gastransfervorrichtung in der Biotechnologie und in der Medizin eingesetzt. In der Biotechnologie kommt sie insbesondere zum Einsatz als oder im Bioreaktor zur Kultivierung diverser Zellen bspw. mit dem Ziel einer Expression von Genen von Interesse.
  • In der Medizin wird die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung bevorzugt zur Begasung von Blut eingesetzt, insbesondere bei Patienten mit Lungenversagen oder anderen Lungenfehlern zur Dauertherapie oder bei Operationen, z.B. Transplantationen, bei denen der Patient an eine Herz-Lungen-Maschine angeschlossen wird, zur Akuttherapie.
  • Bei einer besonders bevorzugten Verwendung kann die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung zur Begasung von Blut bzw. zum Gasaustausch in Blut eingesetzt werden. Sie übernimmt dadurch Funktionen einer künstlichen Lunge. Eine solche künstliche Lunge wird typischerweise als externe Vorrichtung ausgestaltet sein, sie könnte aber auch in einen Patienten implantiert sein. Abhängig davon, ob die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung als externe oder implantierte Vorrichtung ausgestaltet ist, besitzt sie unterschiedliche Dimensionen. So wird eine intern einsetzbare erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung im Miniaturmaßstab strukturiert sein, damit sie insbesondere zur Implantation, z.B. in die Vene eines Patienten, geeignet ist.
  • Abhängig von der Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung können die Kammern der Gastransfervorrichtung zur Aufnahme unterschiedlicher Medien dienen. Beispielsweise können mehrere Kammern mit Gasen befüllt sein. Eine der Kammern oder auch alle Kammern können ebenfalls zur Aufnahme einer Flüssigkeit dienen.
  • Bei der Verwendung in der Medizin oder in der Biotechnologie ist die Flüssigkeit bevorzugt eine biologische Flüssigkeit. Die biologische Flüssigkeit soll sowohl als Flüssigkeit verstanden werden, welche eine Körperflüssigkeit eines Lebewesens ist, als auch als eine Flüssigkeit, welche biologisch für mindestens einen Organismus ungiftig ist bzw. für dessen Wachstum benötigt wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die biologische Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Blut, Blutserum, Zellsuspension, Zelllösung und Kulturmedium. Dient mindestens eine der Kammern der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung zur Aufnahme einer Flüssigkeit, so ist es bevorzugt, dass die Membran, welche diese Kammer von einer weiteren Kammer trennt, auf der Seite der Flüssigkeit eine Strukturierung, wie oben beschrieben, aufweist.
  • Wie bereits beschrieben, können die Kammern der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung unterschiedlich dimensioniert sein. So können die Kammern sehr geringe Dimensionen aufweisen und als Durchflusskammern zum Einsatz beispielsweise in Reaktoren (Chemie- oder Bioreaktoren) eingesetzt werden. Dabei können sie entweder intern oder auch extern, über geeignete Verbindungen, an die Reaktoren angeschlossen sein. Beispielsweise kann ein Teil eines Mediums über geeignete Verbindungen (z.B. Schläuche) aus dem Reaktor abgeführt werden und in eine der Kammern der Gastransfervorrichtung eingeleitet werden. Die andere Kammer (beispielsweise als Durchflusskammer ausgestaltet) kann mit einem anderen Medium befüllt werden, welches ein Gas an die Flüssigkeit aus dem Reaktor abgibt oder ein solches aufnimmt.
  • Andererseits kann mindestens eine der Kammern so große Dimensionen aufweisen, dass sie selbst als Reaktor dient. Durch eine weitere Kammer wird dann ein Medium geleitet, welches zur Aufnahme bzw. zur Abgabe eines bestimmten Gases an das Reaktormedium dient.
  • Eine beispielhafte Realisierung einer extrakorporalen Gastransfervorrichtung zur Begasung von Blut könnte in Anlehnung an den Novalung®-iLA Membran Ventilator IL-1000-01 der Novalung GmbH realisiert werden. Dieser Ventilator gehört zur Gruppe der extrakorporalen Gasaustauschsysteme, die eine Albumin-Heparin-Beschichtung beinhalten. Ein solcher Ventilator dient zur Zufuhr von Sauerstoff und zu Abfuhr von Kohlenstoffdioxid von abgeleitetem Blut eines Patienten. Das System besteht aus einer sog. künstlichen Lunge, welche einer Gastransfervorrichtung entspricht, und blutzu- bzw. blutabführenden Ein-/Auslassleitung mit Schlauchverlängerung. Dieses System ist richtungsunabhängig und kann aufgrund seines symmetrischen Aufbaus von beiden Seiten angeströmt werden. Die beiden Ein-/Auslassleitungen und Schlauchverlängerungen des Systems sind aus folgenden Komponenten aufgebaut:
    • Ein-/Auslassbogen als Knickschutz
    • PVC-Schlauch 3/8x3/32 Zoll mit Schnellkupplung weiblich
    • Schlauchverlängerung mit Schnellkupplung männlich/weiblich
  • Die blutzu-/blutabführenden Ein-/Auslassbögen sind als Knickschutz im Ein-/ Auslassbereich der Membranlunge angebracht. Die Übergangsstellen in den Ein-/Auslassleitungen und Schlauchverlängerungen sind stufenlos gestaltet, um die Gefahr einer Thrombenbildung durch Totzonen, scharfe Kanten etc. im Strömungsbereich zu minimieren.
  • Die bei dem Novalung®-iLA Membran Ventilator nach dem Stand der Technik verwendete Membran ist eine Hohlfasermembran, über die Sauerstoff an das Blut abgegeben wird und Kohlenstoff aus dem Blut abgeführt wird. Erfindungsgemäß kann diese Hohlfasermembran durch eine strukturierte Membran im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgetauscht werden.
  • Das Novalung®-iLA Membran Ventilator-System funktioniert nach dem folgenden Prinzip: Das Blut tritt aus der Arteria femoralis über die arterielle Novalung®-Kanüle NovaPort® in die zuführende Schlauchverlängerung und Einlassleitung ein. Das Blut tritt durch den Einlaufbogen in das Gehäuse der Membranlunge ein. In der dahinterliegenden Vorkammer wird das Blut verteilt, gleichzeitig wird hier eventuell eintretende Luft nach oben abgeleitet. An der Spitze des Membransystems sind beidseitig Entlüftungsmembranen integriert. Diese sind hydrophobe Membranen, die gasförmige Stoffe durchlassen, Flüssigkeiten jedoch zurückhalten. Die Entlüftungsmembranen dienen dem leichteren Füllen, Entlüften und der permanenten Elimination von Luft während des Verfahrens. In der folgenden Hauptkammer findet wie oben beschrieben der Gasaustausch statt.
  • Das decarboxylierte und oxygenierte Blut wird dem Patienten über den Auslaufbogen, das Membransystem, die Auslassleitung mit Schlauchverlängerung und die Novalung®-Kanüle NovaPort®der Vena Femoralis zugeführt.
  • Weitere technische Daten sind in der folgenden Tabelle angegeben:
    Technische Daten:
    Blutflussrate 0,5 - 4,5 l/min
    Maximal empfohlene Gasflussrate 10 l/min
    Maximaler Druck Gasseite 20 mmHg
    Maximaler Druck Blutseite 200 mmHg
    Oberfläche der Oxygenationsmembran 1,3 m2
    Füllvolumen gesamt 240 ml
    Periphere Schnittstellen:
    Anschlussstelle Anschlußports Anschlußgröße
    Blutein-/Blutauslassschlauch 2 3/8"x1/32" Schnellkupplungen
    Gaskonnektoren 2 1/4"
    Entlüftungskonnektoren 2 Luer-Lock
  • Die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung kann ferner noch weitere Bauteile umfassen. Dazu gehört beispielsweise ein Gehäuse, welches aus einem beliebigen Material aufgebaut sein kann.
  • Ferner können an die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung noch weitere Bauteile angeschlossen sein, die für eine gute Funktionsweise der Gastransfervorrichtung notwendig sind bzw. diese positiv unterstützen. Beispielsweise kann ein Wärmetauscher an die Gastransfervorrichtung angeschlossen sein, um die Temperatur des in den Kammern befindlichen bzw. durch die Kammer durchgeleiteten Mediums zu temperieren. Weiterhin können an die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung ebenfalls Apparaturen angeschlossen werden, welche bestimmte Parameter des in den Kammern befindlichen bzw. durch die Kammer durchgeleiteten Mediums überwachen bzw. vorgeben. Beispielsweise kann eine Apparatur an die Gastransfervorrichtung angeschlossen sein, welche den Gasdruck (bei Verwendung eines Gases als Medium) überwacht.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun anhand bestimmter in den beigefügten Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert, in denen gleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische perspektivische Ansicht einer strukturierten Membran zur Anwendung in einer Gastransfervorrichtung gemäß einem einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 2
    einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Gastransfervorrichtung gemäß einem einfachen Ausführungsform der Erfindung,
    Figur 3
    eine perspektivische Ansicht einer strukturierten Membran zur Anwendung in einer Gastransfervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 4
    eine perspektivische Ansicht eines Teils der in Figur 3 gezeigten, strukturierten Membran,
    Figur 5
    eine weitere perspektivische Ansicht eines Teils der in Figur 3 gezeigten, strukturierten Membran,
    Figur 6
    eine perspektivische Ansicht einer Gastransfervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
    Figur 7
    eine Graphik der Anreicherung von Sauerstoff in einer Testflüssigkeit in einer einfachen Gastransfervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • In Figur 1 ist ein Teil einer gasdurchlässigen und flüssigkeitsundurchlässigen, strukturierten Membran 1 zur Anwendung in einer Gastransfervorrichtung gemäß einem einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung schematische und stark vergrößert dargestellt. Die beiden gegenüber liegenden Seiten 2, 3 der Membran 1 sind mit einer Struktur versehen und diese Struktur besteht aus parallel verlaufenden Wänden 4, die dazwischen Kanäle 5 bilden. Die Wände 4 sind in regelmäßigen Abständen 6 voneinander über die beiden äußeren Flächen 2, 3 der Membran 1 angeordnet und ragen im Wesentlichen senkrecht nach oben bzw. nach unten aus der Ebene der Membran 1 heraus. Die Beabstandung 6 der Wände 4 in diesem Ausführungsbeispiel liegt im Bereich von ca. 20 bis 150 µm und die Kanäle 5 machen über 50 % der Gesamtoberfläche 2, 3 der Membran 1 aus. Wie der Figur 1 auch zu entnehmen ist, erstrecken sich die Kanäle 5 auf der oberen Seite 2 der Membran 1 quer bzw. rechtwinkelig zu den Kanälen 5 auf der unteren Seite 3 der Membran.
  • In einer einfachen erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung werden mindestens zwei Kammern durch die in Figur 1 gezeigte, gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran voneinander getrennt. Auf der oberen Seite 2 der Membran 1 wird mindestens eine erste Kammer teilweise von der Membran 1 gebildet und auf der unteren Seite 3 wird mindestens eine zweite Kammer teilweise von der Membran 1 gebildet. Die mindestens eine erste Kammer auf der oberen Membranseite 2 ist zur Aufnahme einer biologischen Flüssigkeit wie z.B. Blut bestimmt und die mindestens eine zweite Kammer auf der unteren Membranseite 3 ist zur Aufnahme eines Gases wie z.B. Sauerstoff bestimmt. Jede Kammer ist ferner als eine Durchflusskammer ausgebildet, sodass das Blut B oben z.B. von vorne nach hinten und der Sauerstoff O unten z.B. von rechts nach links durch die jeweilige Kammer fließen kann. Wie oben beschrieben, dient die Strukturierung der Membranoberflächen dem verbesserten Gastransfer, in dem eine größere Fläche für den intimen Kontakt zwischen den flüssigen und gasförmigen Phasen bereitgestellt wird. Zudem können aber auch die Flusseigenschaften der flüssigen und gasförmigen Phasen über die Strukturierung (z.B. durch Turbulenzen) den Gasübertritt über die Membran verstärken. Ferner entsteht ein verbesserter Stofftransport durch insbesondere verbesserte Diffusionseigenschaften, die auf die kleine Beabstandung 6 der Wände 4 und damit die Herabsetzung des Flusswiderstandes zurückgeht.
  • In Figur 2 wird ein schematischer Querschnitt durch einen Teil einer Gastransfervorrichtung 20 gemäß einem einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Membran 1 in diesem Beispiel wird durch zwei Schichten 7 von einem Trägermaterial stabilisiert. Das Trägermaterial 7 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Polymer als die Membran 1 und wird mit ihr durch ein Verschweißen (z.B. mit Ultraschall oder Laser) oder eine kovalente Bindung verbunden. Jede Trägerschicht 7 kann die gleiche oder eine größere Wandstärke haben als die Membran 1, z.B. eine deutlich größere Wandstärke bis zu 1 mm oder 2 mm. Wie in Figur 2 klar zu sehen, bilden die Kanäle 5 auf der oberen Seite 2 der Membran 1 zusammen mit der oberen Trägerschicht 7 eine Reihe von nebeneinander angeordneten, ersten Kammern 21 für die biologische Flüssigkeit (Blut). In gleicher Weise bilden die Kanäle 5 auf der unteren Seite 3 der Membran 1 zusammen mit der unteren Trägerschicht 7 eine Reihe von nebeneinander angeordneten, zweiten Kammern 22 für das Gas (Sauerstoff). In diesem Beispiel verlaufen die Kanäle 5 auf den oberen und unteren Seiten 2, 3 der Membran 1 parallel miteinander aber dafür fließen das Blut B und der Sauerstoff O in den entgegen gesetzten Richtungen. Auf der oberen Seite 2 z.B. fließt das Blut B durch die ersten Kammern 21 vom Betrachter gesehen in die Zeichnungsebene hinein und auf der unteren Seite fließt der Sauerstoff O durch die zweiten Kammern 22 aus der Zeichnungsebene heraus.
  • Mit Bezug auf die Figuren 3 bis 5 wird nun eine strukturierte Membran 1 zur Anwendung in einer Gastransfervorrichtung 20 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Wie in den Figuren 3 bis 5 wieder stark vergrößert gezeigt, ist diese Membran derart strukturiert, dass sie sowohl gerade Kanäle 5 als Verästelungen bzw. verästelte oder verzweigte Wege 8 für den Durchfluss der flüssigen und gasförmigen Phasen bildet. In diesen Figuren sieht man hauptsächlich nur die obere Membranseite 2 aber die untere Seite 3 ist analog gestaltet. An den gegenüber liegenden Enden 9 sind parallele verlaufende, quadratische Aussparungen, die eine Reihe von nebeneinander angeordneten Kanälen 5 z.B. für eine biologische Flüssigkeit bilden. Diese Kanäle 5 gehören der ersten Kammer 21 zu und bilden Einlässe 23 bzw. Auslässe 24 in die erste Kammer 21 mit Flussrichtung gezeigt von den Pfeilen A. Die Kanäle 5 stehen in Verbindung mit einem breiten, zentralen Feld auf der Membranoberseite 2, das mit zylinderförmigen Vorsprüngen bzw. Noppen 10 bestückt ist, die im Wesentlichen senkrecht aus der Membranebene herausragen. Wie aus der Figur 5 zu erahnen ist, sieht die untere Membranseite 3 genauso aus. Die Wände 4 der Kanäle 5 und der Vorsprünge bzw. Noppen 10 stehen alle in einem Abstand 6 von einander im Bereich von ca. 20 bis 150 µm. Ferner sind die Vorsprünge bzw. Noppen 10 derart angeordnet, dass sie als Hindernisse in der Flussrichtung stehen und eine Ablenkung und eine Aufspaltung der Strömung durch die jeweilige Kammer verursachen. Diese Ablenkung und Aufspaltung der Strömung führt wiederum zu Verästelungen 8 in der Kammer oder, anders gesagt, zu verästelten oder verzweigten Durchflusswegen 8, wie mit den Flusspfeilen dargestellt. Da diese Membran 1, wie in Figur 2, von oben und unten mit einem Trägermaterial 7 versehen und stabilisiert wird, entstehen die Hohlräume, die die obere erste Kammer 21 und die untere zweite Kammer 22 schaffen. Das Anbringen und die Verbindung der Trägerschichten 7 erfolgen wie oben beschrieben. Am Rand der oberen (und unteren) Membranseite 2 ist eine rechteckige Aussparung 11 zur Aufnahme der Trägerschicht 7, wenn die Membran 1 von oben mit dieser Schicht 7 gedeckelt wird. Die innere Seite der Trägerschicht 7 kann auch in Kontakt und Verbindung mit den oberen Enden 12 der Vorsprünge bzw. Noppen 10 aber dies ist nicht unbedingt nötig. Die oberen Enden 12 der Vorsprünge bzw. Noppen können auch in der jeweiligen Kammer frei sein.
  • Figur 6 zeigt eine Gastransfervorrichtung 20 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht. Die Vorrichtung 20 besteht aus einem Membranstapel. Die Membrane 1 sind ähnlich wie in den Figuren 3 bis 5 gezeigt aber die Einlässe 23 und Auslässe 24 auf der unteren Seite 3 sind rechtwinkelig ausgerichtet zu denen auf der oberen Seite 2, wie in Figur 1. Damit kann z.B. eine biologische Flüssigkeit wie Blut in einer Richtung B über die obere Seite jeder Membran 1 fließen und Sauerstoff O in einer Querrichtung über die untere Seite 3 jeder Membran 1 fließen. Das Übereinander-Stapeln von den einzelnen Membranen 1 ergibt eine quaderförmige Anordnung, welche mit entsprechenden Dichtungen an den Rändern und geeigneten Anschlüssen zum Anschließen von Schläuchen als Modul in einer Gastransfervorrichtung z.B. in einer künstlichen Lunge dienen.
  • Figur 7 ist eine Graphik, welche die Ergebnisse einer Anreicherung von Sauerstoff in einer Testflüssigkeit in einem einzelnen Mikrokanal zeigt. Der Mikrokanal war mit einer Mischerstruktur (d.h. einem verschlängelten Kanal) versehen und hatte eine Länge von 66 mm und einen quadratischen Querschnitt von 320 µm Tiefe und 320 µm Breite. Die Testflüssigkeit wurde mit einem Volumenstrom von 2,4 ml/min durch den Mikrokanal gepumpt. Die Graphik zeigt eine erhebliche Anreicherung von Sauerstoff (als Partialdruck in der Flüssigkeit) nach dem Verfahren mit der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung.
  • Wie vom Fachmann verstanden wird, kann die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung anders als in den Figuren gestaltet werden, ohne von den allgemeinen, in den Ansprüchen angegebenen Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel könnte sich die zweite Kammer in der ersten Kammer befinden bzw. von der ersten Kammer im Wesentlichen umgeben sein. Alternativ könnte sich die erste Kammer in der zweiten Kammer befinden bzw. von der zweiten Kammer im Wesentlichen umgeben sein. Wie vom Fachmann auch verstanden wird, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf maximale eine Behandlung der biologischen Flüssigkeit begrenzt. Vielmehr lässt der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Mehrzahl von möglichen gleichzeitigen Behandlungen zu.

Claims (14)

  1. Gastransfervorrichtung, umfassend mindestens zwei Kammern (21, 22) und mindestens eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran (1), wobei die Kammern durch die Membran(en) (1) voneinander getrennt sind, und wobei die Membran(en) auf mindestens einer Seite (2, 3) strukturiert ist/sind und durch diese Struktur Kanäle (5) und/oder Verästelungen (8), insbesondere verästelte Wege, mit Wänden (4) auf der Membran (1) gebildet werden, wobei sich gegenüberliegende Wände (4) eine Beabstandung von ≤ 500 µm, bevorzugt ≤ 350 µm, und weiter bevorzugt ≤ 150 µm aufweisen, und der Anteil der Membranoberfläche, der Kanäle (5) und/oder Verästelungen (8) mit dieser Beabstandung aufweist, mindestens 50 % der Gesamtoberfläche der Membran (1) ausmacht, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) auf beiden Seiten (2, 3) strukturiert ist, und auf mindestens einer Seite (2) der Membran Verästelungen (8) aufweist, die durch Noppen (10) erzeugt sind, die derart angeordnet sind, dass sie als Hindernisse in der Flussrichtung stehen und eine Ablenkung und Aufspaltung der Strömung durch die jeweils zwei Kammern verursachen.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Membran auf einer Seite (2) Verästelungen (8) aufweist und auf der anderen Seite (3) Kanäle (5) aufweist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Kammern (21, 22) mindestens teileweise von der Membran bzw. von der Membranstruktur gebildet sind, und/oder
    wobei die Wände (4) der Struktur auf der mindestens einen Seite der Membran aus einer Ebene der Membran herausragen bzw. hervorstehen und/oder in eine der Kammern (21, 22) hineinragen bzw. hineinreichen.
  4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Kammern (21, 22) eine erste Kammer (21) zur Aufnahme einer biologischen Flüssigkeit und eine zweite Kammer (22) zur Aufnahme eines Gases umfassen, wobei die durch die Struktur gebildeten Kanäle (5) und/oder Verästelungen (8) einem Transfer von Gasmolekülen zwischen den ersten und zweiten Kammern dienen, vorzugsweise wobei die erste Kammer in mehreren Kammern unterteilt ist, sodass die Vorrichtung mehrere erste Kammern umfasst, die von der zweiten Kammer durch eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran getrennt sind; und/oder
    wobei die zweite Kammer in mehreren Kammern unterteilt ist, sodass die Vorrichtung mehrere zweite Kammern umfasst, die von der ersten Kammer durch eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran getrennt sind, noch mehr bevorzugt wobei die mehreren ersten Kammern in einer oder mehreren Reihen nebeneinander, z.B. in einem Abstand voneinander, und/oder in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind,
    und/oder wobei die mehreren zweiten Kammern in einer oder mehreren Reihen nebeneinander, z.B. in einem Abstand voneinander, und/oder in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei eine längliche Ausrichtung der ersten Kammer(n) (21) sich quer und bevorzugt rechtwinkelig zu einer länglichen Ausrichtung der zweiten Kammer(n) (22) erstreckt.
  6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine, und bevorzugt jede, der Kammern (21, 22) als Durchflusskammer gestaltet ist, und/oder
    wobei die erste Kammer (21) für einen Durchfluss von einem Einlass zu einem Auslass in einer Richtung gegen oder quer zur zweiten Kammer (22) ausgebildet ist, und/oder
    wobei die Membran (1) aus einem organischen Material besteht oder ein solches umfasst, vorzugsweise wobei das organische Material ein Polymer, Polymerkomposit oder Polymerschichtung ist, noch mehr bevorzugt wobei das Polymer ein Polyolefin ist, vorzugsweise Polymethylpenten.
  7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (1) als Membranstapel ausgestaltet ist.
  8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (1) durch Spritzguss bzw. Mikrospritzguss oder ein Heißprägeverfahren strukturiert ist.
  9. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (1) eine Stärke von 10 bis 100 µm aufweist, vorzugsweise von 20 bis 50 µm.
  10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (1) selektiv im Wesentlichen für Sauerstoff und/oder Kohlenstoffdioxid durchlässig ist, und/oder
    wobei die Membran (1) nicht oder nur geringfügig für Stickstoff durchlässig ist.
  11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (1) durch ein Trägermaterial stabilisiert ist, und/oder
    wobei die Membran (1) mit Zellen, vorzugsweise Epithelzellen, besiedelt ist, und/oder
    wobei die Membran (1) mit einer oder mehreren Substanzen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus (Poly)Saccharid, vorzugsweise Heparin, Nukleinsäure, Protein, vorzugsweise Albumin, beschichtet ist.
  12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kammer (21, 22) einen Durchmesser von 1 µm bis 1 cm aufweist, und/oder
    wobei eine zweite oder weitere Kammer (21, 22) einen Durchmesser von 1 µm bis 1 cm aufweist.
  13. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die biologische Flüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Blut, Blutserum, Zellsuspension, Zelllösung und Kulturmedium.
  14. Vorrichtung, bestehend aus zwei oder mehreren der Vorrichtungen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP09778320.3A 2008-09-03 2009-09-03 Gastransfervorrichtung Active EP2326364B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008045621A DE102008045621A1 (de) 2008-09-03 2008-09-03 Gastransfervorrichtung und Verwendung einer strukturierten Membran
PCT/EP2009/006403 WO2010025926A1 (de) 2008-09-03 2009-09-03 Gastransfervorrichtung und verwendung einer strukturierten membran

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP2326364A1 EP2326364A1 (de) 2011-06-01
EP2326364B1 true EP2326364B1 (de) 2016-06-08

Family

ID=41389285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP09778320.3A Active EP2326364B1 (de) 2008-09-03 2009-09-03 Gastransfervorrichtung

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8728214B2 (de)
EP (1) EP2326364B1 (de)
JP (2) JP5669737B2 (de)
DE (1) DE102008045621A1 (de)
WO (1) WO2010025926A1 (de)

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2639183T3 (es) 2007-09-19 2017-10-25 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Estructuras microfluídicas con sección transversal circular
EP2519337B1 (de) 2009-12-31 2020-08-05 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Mikrofluidische vorrichtung für gasaustausch sowie herstellungsverfahren dafür
CA2800658C (en) * 2010-05-26 2018-09-11 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Microfabricated artificial lung assist device, and methods of use and manufacture thereof
DE102011102071B4 (de) * 2011-05-19 2015-06-25 Karlsruher Institut für Technologie Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung der Differenzierung von Zellen bei Kontakt mit einem Gradienten einer Lösung aus mindestens einer biologisch wirksamen Spezies
JP6395608B2 (ja) * 2011-12-05 2018-09-26 ザ チャールズ スターク ドレイパー ラボラトリー インク マイクロ流体肺補助装置における血液注入量及び膜表面の面積を減少させるための方法
WO2013096488A2 (en) 2011-12-19 2013-06-27 Battelle Memorial Institute Stacked membrane bioreactor
JP6099312B2 (ja) * 2012-03-14 2017-03-22 国立大学法人 和歌山大学 プロテオグリカン固定化有機材料
US20150273405A1 (en) * 2012-09-19 2015-10-01 3M Innovative Properties Company Fluid separation unit
GB2510105A (en) * 2012-12-11 2014-07-30 Stratec Biomedical Ag Fluid degassing device
EP2777801B1 (de) 2013-03-15 2019-08-28 Maquet Cardiopulmonary AG Vorrichtung zur CO2-Eliminierung von Patientenblut
US20150017714A1 (en) * 2013-07-02 2015-01-15 Miltenyi Biotec Gmbh Centrifugation chamber with gas permeable membrane layers for cell cultivation
EP2821144A1 (de) * 2013-07-02 2015-01-07 Miltenyi Biotec GmbH Zentrifugierkammer mit gasdurchlässiger Membran für Zellkultur
US10231817B2 (en) 2013-09-24 2019-03-19 Giner Life Sciences, Inc. System for gas treatment of a cell implant
GB201401308D0 (en) 2014-01-27 2014-03-12 Fujifilm Mfg Europe Bv Process for preparing membranes
JP2017513625A (ja) 2014-04-23 2017-06-01 ザ チャールズ スターク ドレイパー ラボラトリー インク 血液酸素供給器
CN106536027B (zh) 2014-07-18 2019-11-12 德国赛多利斯生物技术公司 具有性能增强的多级宏观空腔的膜
US10864484B2 (en) 2014-07-18 2020-12-15 Sartorius Stedim Biotech Gmbh Membrane with increased surface area
JP6620222B2 (ja) 2015-08-28 2019-12-11 アイデックス ヘルス アンド サイエンス エルエルシー 膜気液接触器
US10137665B2 (en) 2016-01-14 2018-11-27 Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. Method for manufacturing laminate, and laminate
US10247701B2 (en) 2016-06-28 2019-04-02 International Business Machines Corporation Dissolved-oxygen sensor utilizing ionic oxygen motion
US10256490B2 (en) 2016-06-28 2019-04-09 International Business Machines Corporation Oxygen-separating device utilizing ionic oxygen motion
JP6993003B2 (ja) 2016-11-15 2022-01-13 ガイナー ライフ サイエンシズ，インク． 皮下インプラントとの使用に適した経皮的ガス拡散装置
DE102017210134A1 (de) 2016-12-15 2018-06-21 Fresenius Medical Care Deutschland Gmbh System zur extrakorporalen Blutbehandlung, Behandlungsvorrichtung, Kit und Verfahren zum Betreiben eines Systems zur extrakorporalen Blutbehandlung
JP6138390B1 (ja) * 2017-01-25 2017-05-31 三菱化学エンジニアリング株式会社 マイクロナノバブルを用いた生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法
US10883978B2 (en) * 2017-01-31 2021-01-05 Agilent Technologies, Inc. Method and device for calibration of biological flux
BR112019020580A2 (pt) * 2017-04-03 2020-04-28 Us Dept Veterans Affairs dispositivo de difusão microfluídico, métodos, método para formar um dispositivo, e, dispositivo de difusão microfluídica impresso tridimensionalmente.
EP3618916A4 (de) * 2017-05-04 2021-04-14 Giner Life Sciences, Inc. Robuste implantierbare gasabgabevorrichtung und verfahren, systeme und vorrichtungen damit
EP3634523A1 (de) * 2017-06-08 2020-04-15 Case Western Reserve University Vorrichtungen und verfahren zur nitrosylierung von blut
WO2019107763A1 (ko) * 2017-11-28 2019-06-06 인제대학교 산학협력단 다공성 박막을 이용하여 채널 내 미세 버블의 제거가 가능한 마이크로 플루이딕 디바이스와 버블 유입 방지용 시료주입 장치 및 이형필름을 이용한 미세유체 소자의 패널 본딩방법
JP7071222B2 (ja) * 2018-06-07 2022-05-18 大同特殊鋼株式会社 燃料噴射部品の製造方法
EP3646903A1 (de) * 2018-10-29 2020-05-06 Centre National De La Recherche Scientifique Mikrofluidische gasaustauschvorrichtungen und verfahren zur herstellung davon

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3729377A (en) 1971-03-12 1973-04-24 Baxter Laboratories Inc Envelope oxygenator for blood having inflatable portions and process of using same
US3769162A (en) 1971-08-26 1973-10-30 R Brumfield Blood oxygenator and thermoregulator apparatus
US3768977A (en) 1972-03-31 1973-10-30 R Brumfield Integral blood oxygenator and heat exchanger
US4111659A (en) 1974-09-25 1978-09-05 Graeme L. Hammond Mass and heat transfer exchange apparatus
US4351797A (en) 1978-11-08 1982-09-28 Bellhouse Brian John Transfer membrane assembly
IL58990A (en) 1979-01-16 1983-06-15 Baxter Travenol Lab Blood oxygenator
DE3207174C2 (de) 1982-02-27 1984-07-19 Sartorius GmbH, 3400 Göttingen Oxygenator zur Sauerstoffanreicherung von Blut
JPS59186621A (ja) * 1983-04-05 1984-10-23 Ngk Insulators Ltd 多孔体
WO1989000864A1 (en) 1987-07-28 1989-02-09 Minntech Corporation Outside perfusion type blood oxygenator
US5961796A (en) * 1997-06-03 1999-10-05 Lynntech, Inc. Bipolar membranes with fluid distribution passages
JPH11104468A (ja) * 1997-10-02 1999-04-20 Ngk Insulators Ltd 緻密質膜の保持構造体およびその製造方法
US5958616A (en) * 1998-02-06 1999-09-28 Lynntech, Inc. Membrane and electrode structure for methanol fuel cell
CN100522323C (zh) * 2000-08-11 2009-08-05 艾奥尼克斯公司 电渗析装置和方法
DE10051910A1 (de) * 2000-10-19 2002-05-02 Membrana Mundi Gmbh Flexible, poröse Membranen und Adsorbentien, und Verfahren zu deren Herstellung
NL1017570C2 (nl) 2001-03-12 2002-09-13 Stichting Hogeschool Van Utrec Bloedbehandelingsinrichting.
DE10139830A1 (de) 2001-08-14 2003-02-27 Roche Diagnostics Gmbh Strukturierte Membran
US6682698B2 (en) 2001-08-23 2004-01-27 Michigan Critical Care Consultants, Inc. Apparatus for exchanging gases in a liquid
ES2305948T3 (es) 2002-07-22 2008-11-01 Novalung Gmbh Oxigenador intravenoso.
DE10311950A1 (de) * 2003-03-18 2004-09-30 Blue Membranes Gmbh Membranmodul für die Trennung von Fluidgemischen
US20040256311A1 (en) * 2003-04-15 2004-12-23 Extrand Charles W. Ultralyophobic membrane
DE10332789A1 (de) * 2003-07-18 2005-02-17 Universität Stuttgart Membrananordnung, Elektrodialysevorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen elektrodialytischen Entsalzung
DE102005011471B4 (de) * 2005-03-12 2008-04-10 Melin, Thomas, Prof.Dr.-Ing. Membranvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Membranvorrichtung
DE102006020494A1 (de) * 2006-04-21 2007-10-25 Novalung Gmbh Künstliches Lungensystem und dessen Verwendung
US20090098017A1 (en) * 2007-10-16 2009-04-16 Board Of Regents, The University Of Texas System Nanoporous membrane exchanger

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012501701A (ja) 2012-01-26
JP5669737B2 (ja) 2015-02-12
US8728214B2 (en) 2014-05-20
JP2015042253A (ja) 2015-03-05
WO2010025926A1 (de) 2010-03-11
DE102008045621A1 (de) 2010-03-04
EP2326364A1 (de) 2011-06-01
US20110226686A1 (en) 2011-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2326364B1 (de) Gastransfervorrichtung
EP2396052B1 (de) Vorrichtung zur behandlung einer biologischen flüssigkeit
DE10393754B4 (de) Hohlfaserkassette und modular aufgebautes Kassettensystem
DE2953804C2 (de) Gasdurchlässige Membran, Verfahren für ihre Herstellung und ihre Verwendung in einem Blutoxygenerator
EP3090768A1 (de) Vorrichtung mit einlassabschnitt zur behandlung einer biologischen flüssigkeit
DE102016224627A1 (de) Hohlfasermembran mit verbesserter Trennleistung und Herstellung einer Hohlfasermembran mit verbesserter Trennleistung
DE60013277T2 (de) Design eines bioreaktors und verfahren zur manipulation von zellgewebe
WO1993018133A1 (de) Vorrichtung zur behandlung von zellkulturen
DE2426316A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum modifizieren der eigenschaften eines stroemungsmittels
DE69825252T2 (de) Kapillarhohlmembranen, daraus hergestellte fluidbehandlungsmodulen und verfahren zu ihrer herstellung
WO2007137722A1 (de) Mikrotiterplatte und deren verwendung
WO2015169287A1 (de) Verfahren und vorrichtungen zur in-vitro-herstellung von anordnungen von zellschichten
WO2006069737A1 (de) Reaktor und reaktoreinheit mit hohlfasern
EP3646903A1 (de) Mikrofluidische gasaustauschvorrichtungen und verfahren zur herstellung davon
EP2085134B1 (de) Hohlfaser-Separationsmembranen und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE102005021305A1 (de) Reaktoreinheit und Reaktor mit einer derartigen Reaktoreinheit
DE2757673C3 (de) Glaskapillarmembranen zur Diafiltration von Blut
EP3638768B1 (de) Vorrichtung und verfahren für die kultivierung von zellen
WO2004082810A1 (de) Membranplattenmodul
DE102004062828A1 (de) Reaktor mit einer rotierbar angeordneten Reaktoreinheit
DD231988A5 (de) Waermeaustauscher und blutoxygenator-vorrichtung, die damit versehen ist
DE2523236A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur gewaehrleistung eines waerme- und/oder masseuebergangs zwischen zwei fluiden
DE2954519C2 (de)
WO2007031152A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kugel-oder schlauchförmigen künstlichen membranen

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20101209

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA RS

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20131010

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R079

Ref document number: 502009012683

Country of ref document: DE

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: A61M0001160000

Ipc: B01D0061180000

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: B01D 63/02 20060101ALI20151022BHEP

Ipc: B01D 71/26 20060101ALI20151022BHEP

Ipc: B01D 53/22 20060101ALI20151022BHEP

Ipc: C12M 1/00 20060101ALI20151022BHEP

Ipc: B01D 63/08 20060101ALI20151022BHEP

Ipc: B01D 69/02 20060101ALI20151022BHEP

Ipc: A61M 1/16 20060101ALI20151022BHEP

Ipc: B01D 61/18 20060101AFI20151022BHEP

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20151111

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: NOVALUNG GMBH

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

REG Reference to a national code

Ref country code: AT

Ref legal event code: REF

Ref document number: 804799

Country of ref document: AT

Kind code of ref document: T

Effective date: 20160715

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 502009012683

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: SE

Ref legal event code: TRGR

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: PLFP

Year of fee payment: 8

REG Reference to a national code

Ref country code: LT

Ref legal event code: MG4D

REG Reference to a national code

Ref country code: NL

Ref legal event code: MP

Effective date: 20160608

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: FI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: NO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160908

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160909

Ref country code: LV

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: NL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: HR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: EE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: RO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: CZ

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: IS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20161008

Ref country code: SK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: PT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20161010

Ref country code: SM

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: PL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: BE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160930

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R097

Ref document number: 502009012683

Country of ref document: DE

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: MC

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PL

26N No opposition filed

Effective date: 20170309

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: SI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: MM4A

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: CH

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160930

Ref country code: IE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160903

Ref country code: LI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160930

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LU

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160903

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: PLFP

Year of fee payment: 9

REG Reference to a national code

Ref country code: AT

Ref legal event code: MM01

Ref document number: 804799

Country of ref document: AT

Kind code of ref document: T

Effective date: 20160903

REG Reference to a national code

Ref country code: BE

Ref legal event code: MM

Effective date: 20160930

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: AT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160903

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: CY

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: HU

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT; INVALID AB INITIO

Effective date: 20090903

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: TR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: MT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

Ref country code: MK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: BG

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20160608

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: PLFP

Year of fee payment: 10

P01 Opt-out of the competence of the unified patent court (upc) registered

Effective date: 20230602

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Payment date: 20230822

Year of fee payment: 15

Ref country code: GB

Payment date: 20230823

Year of fee payment: 15

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Payment date: 20230822

Year of fee payment: 15

Ref country code: FR

Payment date: 20230822

Year of fee payment: 15

Ref country code: DE

Payment date: 20230822

Year of fee payment: 15